摘要：柔性电子技术在近些年得到了快速发展,越来越多的柔 性 电 子 系 统 需 要 柔 性、高 性 能 的集成电路来实现数据处理和通信。通过减薄硅基芯片可以获得高 性 能 的 柔 性 集 成 电 路,但 是 硅 基芯片减薄之后的性能有可能发生变化,并且在制备、转移、

应 用 于 柔 性 电 子 的 超 薄 硅 基 芯 片 研 究 进 展

唐新悦,洪 敏,罗 婷,陈 仙,张 静,王 鹏,张培健,张正元

(集成电路与微系统全国重点实验室 中国电子科技集团公司第二十四研究所)

摘 要:

柔性电子技术在近些年得到了快速发展,越来越多的柔 性 电 子 系 统 需 要 柔 性、高 性 能 的集成电路来实现数据处理和通信。通过减薄硅基芯片可以获得高 性 能 的 柔 性 集 成 电 路,但 是 硅 基芯片减薄之后的性能有可能发生变化,并且在制备、转移、封装的过程中极易产生缺陷或者破碎,导致芯片性能退化甚至失效。因此,超薄硅基芯片的制备工艺和柔性 封 装 技 术 对 于 制 备 高 可 靠 性 的柔性硅基芯片十分关键。在此背景下,文章综述了柔性硅基芯片的力学和电学特性研究进展,介绍了几种超薄硅基芯片的减薄工艺和柔性封装前沿技术,并对超薄硅基 芯 片 在 柔 性 电 子 领 域 的 应 用和发展进行了总结和展望,为柔性硅基芯片技术的进一步研究提供参考。

0 引 言

柔性电子 器 件 在 健 康 医 疗、柔 性 显 示、人 工 智能、物联网等 领 域 具 有 广 阔 的 应 用 前 景。越 来 越 多的柔性电子设备正在走进人们的生活。根据市场调研机构IDTechEx预测,柔性电子市场将在 2028 年达到3000亿美元[1]。柔性电子器 件 在 各 领 域 的 应用都需要高性能 的 柔 性 集 成 电 路,虽 然 已 有 印 刷 工艺将无机或有机薄膜晶体管制备在柔性聚合物衬底上,但是难以实现大规模集成,性能也远低于硅基集成电路。常规 的 硅 材 料 减 薄 到 50μm 以 下 可 以 获得良好的柔韧性,这 为 实 现 高 性 能 的 柔 性 集 成 电 路提供了一种方案[2]。

国际半导体路线图(ITRS)在2005 年 就 强 调 了超薄硅基芯片在 三 维 集 成 领 域 的 重 要 性,这 是 因 为超薄硅基芯片能 够 带 来 许 多 好 处,比 如 集 成 密 度 的倍增、延迟的 减 少 和 功 耗 的 降 低 等[3]。 随 着 柔 性 电子技 术 的 发 展,健 康 医 疗、可 穿 戴 系 统、人 工 智 能 和物联网等领域的 兴 起,超 薄 硅 基 芯 片 所 具 有 的 高 性能和柔韧性也受到了广泛关注。但是超薄硅基芯片在柔性电子领域 的 应 用 面 临 着 诸 多 问 题,比 如 硅 基芯片在减薄后其 电 学 和 力 学 特 性 发 生 变 化,硅 基 芯片在减薄 和 封 装 过 程 中 极 易 引 入 缺 陷 或 发 生 破 碎等。在此背景下,本 文 综 述 了 超 薄 硅 基 芯 片 的 力 学和电学研究进展,介 绍 了 几 种 应 用 于 硅 基 芯 片 减 薄的前沿工艺和超 薄 硅 基 芯 片 柔 性 封 装 技 术,以 及 超薄硅 基 芯 片 在 健 康 医 疗、智 能 标 签、能 源、电 子 皮 肤等领域的应用情况。

1 超薄硅基芯片的力学和电学特性

与传统的芯片相比,超薄硅基芯片在机械韧性、光学透射率和应力作用下的载流子迁移率等方面都有不同的特性。分析并获取硅基芯片减薄之后的力学和电学特性变 化,有 助 于 获 得 机 械 性 能 稳 定 的 高性能超薄芯片。

1.1 力学特性

材料的强度可 以 理 解 为 材 料 的 抗 劈 裂 性,从 原子理论考虑,强 度 定 义 为 两 个 单 原 子 分 离 之 前 的 能量极限。在 单 轴 拉 伸 应 力 条 件 下,Orowan 方 程[4]可用于估计理论强度:

理论强度σth 由材料的杨氏模量E、表面能γ和晶格 常 数 a 定 义。 硅 有 两 个 解 理 面,即 {110}和{111}面,其 传 播 方 向 为 。这 两 个 平 面 的 理论强度 非 常 相 似,都 可 以 作 为 硅 芯 片 断 裂 的 解 理面[5]。在室温下,硅材料具有脆性,对单裂纹或应力集中缺陷非常 敏 感。脆 性 材 料 与 韧 性 材 料 不 同,脆性材料不能通过塑性变形来消除集中在裂纹尖端的高应力。因此,如果裂纹处达到临界应力值,裂纹将在材料中扩展,硅片将断裂。

格里菲斯在1920 年 根 据 力 学 和 热 力 学 的 能 量概念提出了断 裂 力 学 理 论[6]。 格 里 菲 斯 提 出,在 裂纹扩展的过程中,产 生 两 个 新 表 面 所 需 的 能 量 等 于主体中释放 的 机 械 能。除 了 能 量 概 念 外,K 概 念 也在断裂力学中 被 广 泛 应 用。 参 数 K 表 示 应 力 强 度因子,在裂纹计算过程中可以量化集中应力,其大小与应力加载情况有关。通常,应力强度因子定义为:

式中,b为裂纹长度,σ为施加的应力,Y 为特定载荷下的几何函数。应力强度因子划分为不同的裂纹扩展模式,即纯拉 伸 模 式、剪 切 模 式、撕 裂 模 式[6]。 利用这些概念,可以分析硅中裂纹附近的应力分布。

根据以上理论 分 析 可 以 得 出,硅 基 芯 片 的 机 械强度与材料中的缺陷分布和缺陷尺寸密切相关。在超薄硅基芯片的 制 造 过 程 中,很 多 工 艺 步 骤 会 影 响芯片的强度。例 如,在 图 案 化 或 蚀 刻 步 骤 中 芯 片 表面会产生尖锐 的 缺 口 或 拐 角,造 成 应 力 集 中。 在 背面研磨和抛光的 过 程 中,硅 中 的 亚 表 面 损 伤 和 微 裂纹会使芯片的机 械 性 能 变 差,严 重 时 会 导 致 超 薄 芯片断裂。在湿法刻蚀过程中产生的凹坑和凸起则会导致局部应力 集 中,降 低 硅 的 断 裂 强 度。超 薄 芯 片中不同位置的局部应力或应力分布通常采用有限元分析法和拉曼光谱法进行研究。有限元分析法可以提供关键位置 的 残 余 应 力 估 计 值[7],拉 曼 峰 的 变 化可以用于分析局部位置的机械应力[8]。

在减薄过程中,硅 机 械 强 度 的 物 理 参 数 杨 氏 模量(E)也随着芯片的厚度减薄 而 变 化。当 厚 度 达 到hb 之后,杨氏模量与厚度的关系式为[9]:

对于硅,hb 约为 80nm,该值取决于平面 应 变、泊松比和体硅的杨氏模量等参数。超薄芯片的机械强度受到其厚度 和 弯 曲 过 程 中 产 生 的 应 力 影 响,关系式为:

式中,h 是超薄芯片的厚度,R 是弯曲半径。在弯曲条件下,应力与超薄芯片的厚度成正比,与曲率半径成反比。硅的极限断 裂 强 度 为 7GPa[10],这 意 味 着在相同的应力阈 值 下,较 薄 的 芯 片 对 应 更 小 的 极 限弯曲半径。图1(a)也 证 明 了 这 一 点,图 中 弯 曲 应 力的仿真 值 与 不 同 厚 度 硅 的 曲 率 半 径 相 对 应,y 轴7GPa处的虚线表示 超 薄 芯 片 的 典 型 断 裂 应 力[11]。然而,超薄芯片 通 常 封 装 在 柔 性 衬 底 或 柔 性 印 刷 电路板上。当超薄芯片放置在柔性衬底上的封装结构中时,可以用 Stoney公式评估其应力值:

式中,ts、tf 是柔 性 衬 底 和 芯 片 的 厚 度,ν 是 泊 松 比。超薄芯片顶面承受的应力与柔性衬底的杨氏模量及其厚度的平方成正比。因此,从封装的角度考虑,柔性衬底的杨氏模 量 越 低,越 有 利 于 降 低 柔 性 芯 片 的断裂风险。由图1(b)可以看出,PDMS 衬 底 上 的 超薄芯片弯曲半径可以达到6 mm 而不断裂。

1.2 电学特性

硅的基本电学 特 性 (如 带 隙、介 电 常 数、态 密 度等)在厚度达到纳米级 之 前 不 会 发 生 变 化[12]。对 于大多数柔性电 子 应 用,厚 度 在 5~50μm 范 围 内 的超薄芯片即可 满 足 柔 性 需 求。因 此,通 过 减 薄 硅 晶圆实现超薄硅时,其基本电特性将保持不变。但是,在芯片 加 工 至

硅晶体具有立方对称性,晶格常数a=0.54nm。施加的轴向力 会 拉 伸/压 缩 晶 格,增 加 吸 引/排 斥 原子间能量,如图2(a)所 示。 施 加 在 硅 晶 体 上 的 不 同类型的应力会被 转 换 为 机 械 应 变,应 变 可 以 改 变 键的长度和键 之 间 的 角 度[13]。 例 如,在 [110]晶 向 上沿键施加的拉伸 应 变 会 将 原 子 拉 开,使 原 子 键 沿 相同方向拉长,如 图 2(b)所 示。 这 将 导 致 沿 [1-10]晶向的压缩,使 相 应 键 缩 短 和 旋 转。应 变 不 仅 会 导 致原子相对位置发生变化,还会改变硅的能带结构。

对于硅晶体而言,能量和动量之间的关系 E(k)与晶体的能带结构 有 关。 硅 晶 体 沿 [100]、[010]和[001]方向的 导 带 结 构 包 括 六 个 简 并 能 谷,在 Λ 点处具有最 小 值[14]。 能 谷 的 椭 圆 形 状 具 有 不 同 的 曲率,因此有两个有效质量:横向 mt=0.19m0 和纵向ml=0.97m0,其 中 m0=9.11×10-31 kg,是 自 由 电子静止质 量。 导 电 性 的 总 有 效 质 量 (0.26m0)是 横向和纵向有效质量的函数[15]:

应变提升了硅 的 简 并 性,并 使 能 谷 中 的 电 子 重新分布,从而使 m* 变化。随 着 应 变 的 增 加,更 多 的电子将移动到能量最低的子带。电子重新分布会造成总 有 效 质 量 m* 减 少 及 动 量 弛 豫 时 间τ 的 变 化(1/τ是声子和杂质的谷 间 散 射 率)。这 两 者 都有 助于迁移率的提升。

粒子的迁移率是恒定平均速度和施加的电场之间的比率,可表示为(Drude模型):

式中,q 是 电 子 电 荷。 导 致 迁 移 率 变 化 的 主 要 因 素是电导率有效质量 m* 减少。应 变 改 变 了 硅 的 能 带结构,从而对电子输运 性 质 产 生 影 响[16]。 具 有 立 方对称性的硅晶体 具 有 各 向 同 性 导 电 性,因 此 电 流 流动方向与电场平行。电流密度与电场的比率称为电导率(σ),电阻率(ρ)是电导率的倒数,与电子和空穴的浓度及其迁移率μn 和μp 有关:

应变破坏了 硅 的 立 方 对 称 性。 因 此,其 电 导 率不再是各向同 性 的。作 为 压 阻 材 料,硅 的 电 阻 率 随应力而变化(σ和ρ都是二阶张量)[17]:

Π 是压阻矩阵,由三个基本压阻系数(Π11、Π12、Π44)定义。每一个压阻系数提供了在特定压力下可以实现多少电流增强的信息。

无论是在加工过程中引入的应力还是外部载荷造成的应力集中,都 会 引 起 硅 的 能 带 结 构 和 压 阻 特性发生变化,最 终 表 现 为 超 薄 硅 基 器 件 电 响 应 特 性的变化。一些研 究 人 员 通 过 测 试 和 建 模,研 究 了 器件在应力作用 下 的 电 响 应 特 性 变 化。例 如,在 单 轴弯 曲 的 情 况 下,随 着 弯 曲 应 力 的 增 加,n 型MOSFET 的迁移率 会 增 加。在 n 型 MOSFET 中,这种行 为 与 弯 曲 方 向 无 关,但 p 型 MOSFET 响 应的变化与 方 向 有 关[18]。 应 力 诱 导 的 变 化 导 致 器 件和电路的 响 应 与 原 始 值 存 在 显 著 偏 差,如 表 1 所示[18-19,21-24]。因此,通 过 对 柔 性 电 子 器 件 在 弯 曲 状态下的电响应模 型 进 行 精 确 预 测,就 可 以 在 电 路 设计过程中使用适当的补偿技术来减少系统响应的整体变化[19-20]。

2 超薄硅基芯片的制备技术

J.N.Burghartz等 人 综 述 了 超 薄 芯 片 的 制 备工艺,并将超薄芯片的制备工艺按照衬底的不同、芯片是否需要后处 理 或 预 处 理 进 行 了 细 化 分 类,如 图3所示。这些技术中,有传 统 的 芯 片 减 薄 工 艺,如 背面研磨和干法、湿法刻蚀技术,也有一些应用于芯片减薄的前沿 技 术。本 文 将 重 点 介 绍 这 些 前 沿 技 术,比如划片减薄法、TAIKO 技术、控 制 剥 离 技 术、SOI衬底技术、Chipfilm 技术等[25]。

2.1 划片减薄法

晶圆划片是芯 片 制 造 后 端 工 艺 的 重 要 步 骤,晶圆划片最常用的 方 式 是 通 过 切 割 设 备 进 行,比 如 切割锯或高功率 激 光 器。然 而,锯 切 会 在 芯 片 的 侧 壁产生微损伤,激 光 加 工 也 会 产 生 碎 屑。随 着 晶 片 越来越薄,芯片边 缘 的 微 裂 纹 可 能 导 致 后 续 拾 取 和 放置 过 程 中 的 芯 片 断 裂。 划 片 减 薄 法 (Dicing-by-Thinning,DbyT)可以有效解决上述问题[26-27]。

划片减薄法的 原 理 如 图 4 所 示。 首 先,沿 着 芯片的边缘制备凹 槽,凹 槽 的 深 度 为 超 薄 芯 片 的 目 标厚度。然后通过 临 时 键 合 技 术 将 晶 圆 固 定 在 基 板上。随后,进 行 晶 圆 背 面 的 研 磨,研 磨 到 一 定 厚 度后,采用等离子体刻蚀技术对剩下的部分进行刻蚀,直到芯片分离。等离子体刻蚀可以有效消除锯切对芯片边缘的损伤,分 离 之 后 的 超 薄 芯 片 将 转 移 到 胶带上,用于后 续 的 加 工 步 骤。通 过 划 片 减 薄 法 可 以有效解决芯片在加工过程中的翘曲问题和划片对芯片边 缘 的 损 伤。 这 种 方 法 也 有 缺 点,那 就 是 需 要>15μm 的划片道,并且划片道上不能布金属线。

2.2 TAIKO 技术

在超薄硅基芯 片 的 制 备 工 艺 过 程 中,除 了 划 片会引入缺陷以外,晶 圆 在 转 移 过 程 中 也 很 容 易 发 生破碎。DISCO 公司提出 了 一 种 名 为 “TAIKO”的 超薄晶圆制备技术,可 以 有 效 减 少 晶 圆 在 转 移 过 程 中的 破 碎 和 翘 曲[28]。 “TAIKO”这 个 词 来 源 于 日 本鼓,这是因为利用该技术制备的晶圆,形状类似于日本鼓 的 鼓 面,如 图 5 所 示。TAIKO 技 术 只 对 晶 圆的内部进行研磨,晶 圆 边 缘 在 加 工 过 程 中 逐 渐 形 成一个完整的环,保留的环形边缘加强了整体结构,减少了超薄晶圆的破碎和翘曲问题。在一些特殊的工艺过程中,需要 将 超 薄 晶 圆 转 移 到 另 一 台 设 备 上 进行加工,利 用 TAIKO 工 艺 制 备 的 超 薄 晶 圆 可 以 直接转移,无需其他粘合材料,所以更加适合高温和真空工艺。但是这种技术在后续的加工过程中也存在问题,比如在切割晶圆时容易发生破碎等。

2.3 控制剥离技术

将一种具有拉应力的材料沉积在脆性基底的表面,然后从表面剥离,在这个过程中拉应力层会使脆性基底的 一 部 分 剥 离。IBM 公 司 基 于 这 种 应 力 剥离理论,开发出了一种常温下的控制剥离技术[29-30]。硅晶圆的控 制 剥 离 原 理 图 如 6(a)所 示。 首 先 在 硅衬底上沉积拉应力层(如金属镍)。然后将柔性控制层(如胶带)置于 拉 应 力 层 的 表 面,随 后 对 柔 性 控 制层施加一个小的 力,在 微 小 力 和 拉 应 力 的 共 同 作 用下,硅衬底的表面会形成微裂纹。然后,通过控制层施加固定方向的 引 导 力,微 裂 纹 将 平 行 于 硅 表 面 继续扩展,从而 将 硅 晶 圆 表 面 的 有 源 层 剥 离 下 来。 这个工艺过程可以 在 室 温 下 进 行,因 此 可 以 应 用 于 超薄芯片在柔性基板上的集成。

镍因其成本低、易 于 沉 积 以 及 具 有 高 断 裂 韧 性而被选 做 拉 应 力 层,镍 的 固 有 拉 应 力 可 以 控 制 在300 MPa~700 MPa的范围内。拉应力层的作 用 是提供足够的载荷 以 满 足 剥 离 条 件,通 过 控 制 镍 的 厚度可以调节拉应 力 层 的 应 力 值,从 而 控 制 被 剥 离 层的厚度。如图7(a)所 示,镍 的 厚 度 越 厚 则 固 有 拉 应力值越大,镍的 厚 度 与 控 制 剥 离 芯 片 厚 度 呈 正 比 例关系。图6(b)所 示 为 使 用 控 制 剥 离 技 术 从 SOI晶圆上剥离 的 完 整 CMOS 电 路。 图 中 的 两 片 柔 性 集成电路直径为100mm,是通过在一个300mm 晶圆上进行掩模、沉积镍层、控制剥离而得到的。

2.4 ChipfilmTM 工艺

IMSChips研究团队提出了一种“ChipfilmTM ”工艺。与背面减 薄 的 传 统 方 法 不 同,该 方 法 通 过 多孔硅控制 芯 片 的 厚 度,并 且 可 以 重 复 使 用 硅 衬 底。该技术含有预处 理 模 块 (ChipfilmTM ),用 于 制 备 芯片区域中具有多 孔 硅 的 晶 圆 衬 底,以 及 后 处 理 模 块(Pick,Crack & PlaceTM ),用 于 超 薄 芯 片 的 分 离 和组装[31-32]。

ChipfilmTM 预 处 理 模 块 的 第 一 步 是 通 过 外 延技术在芯片区域的下方制备两层具有不同孔隙度的多孔硅,并作 为 芯 片 衬 底,如 图 8(a)所 示。 然 后 就像普通的 CMOS 器 件 集 成 工 艺 一 样 在 衬 底 表 面 制备电路,如图8(b)所 示。在 CMOS 工 艺 完 成 后,在芯片区域的外围蚀刻沟槽,向下刻蚀进入多孔层,在选定位置(如芯片角)留下 固 定 的 部 分,如 图 8(c)所示。在这个过程 中,整 个 芯 片 边 缘 与 衬 底 的 连 接 从原本的强连接过渡到只有芯片角的弱连接。这个连接足够弱,可以使用很小的力断开芯片。因此,可以使用传统的拾取 和 放 置 组 装 工 具,断 开 连 接 点 并 将芯片 转 移 到 后 续 步 骤,这 个 后 处 理 过 程 被 称 为“Pick,Crack & PlaceTM ”,如 图 8(d)所 示。 该 技 术可以实现芯片厚 度 的 精 确 控 制,并 且 晶 圆 可 重 复 使用直至耗尽。该技术的产量在很大程度上取决于多孔结构的设计,因此预处理步骤至关重要。

2.5 SOI晶圆技术

通过 SOI晶 圆 也 可 以 获 得 厚 度 可 控 的 超 薄 芯片,这 是 因 为 SOI衬 底 表 面 的 硅 厚 度 是 可 以 控 制的。从 SOI衬底上获得超薄芯片有两种方法:1)在芯片边缘刻蚀凹槽,直到埋入的氧化物,然后选择性地去除氧化物,释 放 超 薄 芯 片;2)将 SOI晶 圆 面 朝下临时固定在载 体 晶 片 上,然 后 利 用 氧 化 层 作 为 蚀刻停止层来去除 SOI晶圆背面的硅。

第 二 种 技 术 由 Philips 研 究 开 发,取 名 为“Circonflex”[33]。Circonflex工艺的基本过程如图9所示。首先在 SOI晶 圆 顶 面 用 聚 酰 亚 胺 膜 覆 盖,但不覆盖芯片边缘的区域,如 图 9(a)所 示。 然 后 通 过临时粘合剂将 玻 璃 载 片 固 定 在 聚 酰 亚 胺 膜 的 上 方,如图9(b)。利用氧化物作为刻蚀 停 止 层,选 择 性 地去除 SOI晶片的 体 硅 部 分,如 图 9(c)所 示。 最 后,沿着芯片边缘附 近 的 沟 槽,可 以 将 聚 酰 亚 胺 膜 上 的柔性芯片揭下,如图10所示。

表 2 对 文 中 提 到 的 几 种 减 薄 技 术 进 行 了 比较[26,28-33],主要对比了芯片的厚度、减薄速率和在加工过程中 可 能 遇 到 的 问 题,其 中 划 片 减 薄 法、Chip filmTM 工艺、SOI晶圆可以获得较薄的芯片,但是也面临着许多问题。通过 TAIKO 技术获得的芯片较厚,但是工艺过程没有引入聚合物,所以可以兼容高温和真空工艺。每种芯片的减薄方法都有优势也有缺点,因此在实 际 工 艺 过 程 中 可 以 根 据 需 要 选 择 合适的减薄工艺。

3 超薄硅基芯片的柔性封装

为了实现柔性 电 子 系 统,需 要 将 一 个 或 者 多 个超薄硅基芯片封 装 在 柔 性 衬 底 中,因 此 封 装 材 料 的选择至关重要。用于柔性封装的材料通常为液态聚合物,比如苯并环丁烯(BCB)和聚酰亚胺(PI)。

BCB 具 有 优 异 的 介 电 性 能、良 好 的 力 学 性 能、高热稳定性和热 氧 化 稳 定 性,因 此 在 微 电 子 封 装 中常作为多层布 线 层 间 绝 缘。而 PI是 目 前 耐 热 性 能最好的聚合物材料之一,PI薄 膜 还 具 有 良 好 的 机 械性能,因此 是 超 薄 硅 基 芯 片 柔 性 封 装 的 首 选 材 料。一些研究机构已经对柔性芯片的柔性封装进行了系统研究,比如比 利 时 微 电 子 研 究 中 心 提 出 的 超 薄 芯片封装技术[34]、柏林工业大 学 提 出 的 倒 装 芯 片 柔 性封装 技 术[35]、IMS Chips 提 出 的 芯 片 贴 片 技 术等[36-37]。

3.1 超薄芯片封装技术

比利时微电子研 究 中 心 (IMEC)与 根 特 大 学 一起开发了一种超薄芯片封装技术 UTCP(Packaging Ultra-ThinChips)[34]。UTCP 的 工 艺 流 程 如 图 11所示,用于封装 的 柔 性 衬 底 是 旋 涂 在 玻 璃 载 片 上 的聚酰亚胺(PI)层。为 了 固 定 和 放 置 芯 片,使 用 BCB作为粘合剂,将超薄芯片正面朝上放置在 BCB 层上并固化,然后 在 芯 片 表 面 覆 盖 一 层 PI,将 芯 片 完 全包裹。为了引出 芯 片 的 焊 盘,需 要 在 焊 盘 上 方 开 口并进 行 激 光 钻 孔,溅 射 TiW/Cu 层,然 后 利 用 光 刻进行图案化设 计,用 于 芯 片 的 扇 出。利 用 这 种 技 术可以得到厚度为50~60μm 的柔性封装芯片。

整个工艺过程 结 束 后,封 装 好 的 柔 性 芯 片 需 要从玻璃载片上 剥 离。通 过 一 种 特 殊 的 方 法,可 以 很容易地将封装好 的 柔 性 芯 片 从 玻 璃 载 片 上 剥 离,即在旋涂第一层 PI薄膜之前,在方形玻璃基板的四个边缘涂一层粘合促进剂。第一层聚酰亚胺的边缘可以很好地粘附在 玻 璃 载 片 上,边 缘 的 粘 附 力 足 以 完成整个工艺过 程。加 工 完 成 后,对 粘 附 区 域 的 边 缘进行切割,可以 很 容 易 地 从 玻 璃 载 片 上 剥 离 封 装 好的芯片。

3.2 倒装芯片柔性封装

柏林工业大学提出了一种柔性的倒装芯片封装工艺 FCF(FlipChipinFlex)[35]。该 技 术 利 用 超 薄硅基芯片和三维集成技术实现了多层超薄芯片的柔性封 装。 这 项 技 术 中 用 于 柔 性 封 装 的 聚 酰 亚 胺(25μm)和铜线 (17μm)都 是 商 用 材 料。 用 于 封 装的超薄芯片厚 度 为 20μm,封 装 之 前 需 要 在 正 面 沉积3μm 厚 的 Ni/Au 凸 块,然 后 采 用 各 向 异 性 导 电胶 ACA(AnisotropicConductiveAdhesive)将 芯 片与柔性衬底连接,ACA 导电胶是一种树脂类型为热反应型的软质 环 氧 树 脂,金 属 成 分 为 镍。导 电 胶 在垂直于涂抹方向(纵 向)具 有 导 电 性,但 是 在 涂 抹 方向(横向)具有电绝缘性。然后将多个柔性衬底上的芯片利用机器堆 叠 在 一 起 并 层 压,最 后 利 用 金 属 通孔进行互联,便完成了多层芯片的柔性封装,工艺流程如图12所示。

3.3 芯片贴片技术

IMSChips 提 出 了 CFP(Chip-Film Patch)技术,其互连线的间距小于10μm,可以为单个或多个超薄芯片提供柔性 的 扇 出 封 装。 图 13 所 示 为 CFP的工艺步骤示意图。首先在硅载片表面旋涂降低粘附性的应力消除 层,然 后 在 其 表 面 堆 叠 两 种 聚 合 物(BCB 和 PI)作为柔性衬底。固化之后,在柔性衬 底表面进行图案化 并 蚀 刻 出 放 置 超 薄 芯 片 的 凹 槽,超薄芯片正 面 朝 上 放 置 在 凹 槽 里,再 旋 涂 一 层 BCB,使超薄芯片完 全 包 裹。然 后 采 用 以 BCB 或 AlSiCu作为硬掩模层的 干 法 刻 蚀 技 术,在 超 薄 芯 片 的 焊 盘上制备微通 孔。 这 个 工 艺 过 程 很 容 易 发 生 芯 片 翘曲、表 面 不 平 坦、应 力 集 中 和 气 泡 等,它 们 与 微 通 孔的质量和形状 直 接 相 关。为 了 解 决 上 述 问 题,微 通孔的尺寸设计规则借鉴了 CMOS 技术,并作为其它CFP 兼容组件的设计规则[36-37]。

4 超薄硅基芯片在柔性电子领 域 的 应用

随着柔性电子 技 术 的 发 展,越 来 越 多 的 应 用 需要超薄硅基芯片,这 是 因 为 超 薄 硅 基 芯 片 是 构 成 柔性智能系统的 关 键 组 件,如 传 感 单 元、数 据 处 理/存储单元、驱动单元以及电源/电源管理模块等。本节介绍了超薄硅基芯片在健康医疗、智能标签、电源管理/能量收集、电子皮肤等领域的应用情况。

4.1 健康医疗

可植入医疗设备为医疗诊断和治疗带来了巨大变革。超薄硅基芯片已经应用于内窥镜、智能导管、诊断胶囊[38]、视网膜下植入物、神经接口[39]等领域,这是因为超薄硅 基 芯 片 在 神 经 刺 激、信 号 分 析 和 可植入电 子 设 备 的 无 线 通 信 方 面 发 挥 着 重 要 作 用。K.J.Lee等人已成功 在 小 鼠 体 内 植 入 并 测 试 了 液晶聚合物 封 装 的 柔 性 RF-ID 超 薄 硅 基 芯 片。 这 项工作为生物集成电子系统如人工视网膜和无线身体传感器网络中的柔性大规模集成电路提供了一种方法[40]。D.R.S.Cumming等人设计了一种能够从哺乳动物肠道组织诱导和检测房颤的胶囊。这个胶囊中集 成 了 ASIC、LED、光 学 滤 波 器、脉 冲 计 数 器、控制单元和无线电发射器。这项工作为无创无痛的医疗 诊 断 提 供 了 一 种 方 案,可 以 减 轻 病 人 的 痛苦[38]。

除了可植入的 医 疗 诊 断 设 备,一 些 柔 性 电 子 器件可以与超薄硅基芯片的高速计算和数据无线传输融合,形成柔性的健康 监 测 系 统[41]。 比 如 柔 性 心 电电极、智能手环、智 能 床 垫、足 底 压 力 监 测 等。 这 些应用可以为医疗 诊 断 提 供 更 加 详 细 准 确 的 依 据,有利于实时监测人们的身体健康状态。H.U.Chung等人提出了一种 新 生 儿 生 命 信 号 监 测 系 统,该 系 统轻薄贴肤,无源无线,可以实时监测和分析传感器信号,其性能媲美最先进的临床标准监测系统[42]。

4.2 智能标签

射频识别技术(RF-ID)是 目 前 超 薄 硅 基 芯 片 应用最 为 广 泛 的 领 域,如 身 份 识 别、防 伪 标 识、物 流 仓储、物联网等领域,为人们的生活带来了便利。用于射频识别的芯片 一 般 都 嵌 入 在 卡 片 或 者 纸 张 内,这就需要射频识别芯片具有一定的柔韧性。恩智浦公司开发了一款智能卡,如图 14(a)所 示,这 款 智 能 卡嵌入了厚度为50μm 的芯片[43],卡片由天线基板和显示模块两部 分 组 成,采 用 双 电 源 系 统 供 电。 显 示器使用的是电子墨水屏(E-Ink),其衬底为电泳电子纸,其中显示驱动器的集成是一个技术难点,这是因为显示驱动器的 引 脚 过 多,整 个 显 示 模 块 的 柔 性 会显著降低。在这种情况 下,芯 片 厚 度 小 于 50μm 才能满足系统的柔性需求。射频识别标签除了应用于身份识别,还普遍应用于商品防伪或者文件标记,如药品的防伪标签,如 图 14(b)所 示[44]。 与 传 统 条 形码技术相比,射频识别标签可以节省更多的时间、人力和物力,降低生产成本,提高工作效率。

4.3 电源管理和能量收集

便携式电子设 备 的 电 池 寿 命 一 直 是 一 个 难 题,很多便携式电 子 设 备 都 需 要 定 期 充 电。然 而,对 于可穿戴设备,最 理 想 的 方 法 是 从 环 境 中 获 取 能 量 为设备供电。超薄硅和超薄芯片可以解决柔性电子设备的电源管理和 能 量 收 集 问 题,比 如 可 以 利 用 超 薄硅太阳能电池进行能量收集,利用超薄 DC-DC 转换器、电力电子 驱 动 器 实 现 电 源 管 理。光 伏 领 域 是 超薄硅最早的应用领域。基于单晶硅的光伏器件使用寿命可以长达40年,转换效率高达15%~26%[45]。但是单晶硅的成 本 较 高,在 这 种 情 况 下 超 薄 硅 提 供了一条降低成本的途径[46]。R.Dahiya等人设计了一种自供电的触 觉 传 感 模 块,该 模 块 包 括 石 墨 烯 透明触觉传感层和超薄硅光伏电池层。透明的石墨烯传感层可以透 光,让 超 薄 硅 光 伏 模 块 收 集 能 量。 这款触觉传感器已 经 应 用 于 假 肢 手 上,可 对 外 部 的 刺激做出反应,从 而 控 制 假 肢 手 实 现 简 单 的 抓 取[47]。超薄硅除了用 于 光 能 的 收 集 还 可 以 用 于 收 集 热 能,据报道,利用超 薄 硅 实 现 的 柔 性 热 能 收 集 器 产 生 的输出功率比块状硅高约30%[48]。

4.4 智能传感系统

混合系统 集 成 HySiF(HybridSystem-in-Foil)是一种新兴的柔 性 电 子 系 统,该 技 术 将 不 同 功 能 的柔性电子元件集 成 到 聚 合 物 薄 膜 中,可 以 应 用 于 柔性可 穿 戴 设 备、智 能 假 肢、电 子 皮 肤、机 器 人 等 前 沿领域。图15所 示 为 HySiF 的 典 型 结 构 示 意 图,柔性传感器将外部 的 物 理 量 变 化 转 换 成 电 信 号,超 薄芯片对电信号进 行 处 理 和 传 输,利 用 柔 性 天 线 将 信号传输出去,或 者 用 柔 性 显 示 器 显 示。在 这 个 系 统中,超薄芯片作 为 主 要 的 构 件 用 于 信 号 的 处 理 和 通信[49-51]。

M.Elsobky 等 人 将 多 个 柔 性 无 源 和 有 源 电 子元件集成在柔性衬底上,形 成 了 一 个 HySiF[51]。这个系统包括柔性温度传感器、柔性相对湿度传感器、超薄微控制器 (MCU)和 近 场 通 信 (NFC)芯 片。 这项工作结合了高性能硅基芯片数据处理和通信的优点以及柔性印刷电子可大面积制备的优点。用于柔性 封 装 和 混 合 集 成 的 MCU 芯 片 背 面 减 薄 至 大 约30μm 的厚度,减 薄 后 MCU 上 集 成 的 模 数 转 换 器的性能没有 下 降。 但 是,高 频 RC 振 荡 器 的 周 期 抖动显著退化,因 此 需 要 在 器 件 模 型 中 建 模 并 对 机 械应力带来的影响 进 行 预 测,以 实 现 自 上 而 下 的 超 薄芯片设计。

HySiF 技术 不 仅 可 以 将 超 薄 硅 基 芯 片 引 入 系统,还可以兼容印刷技术,在柔性聚合物衬底上直接制备传感器或者 有 机 薄 膜 晶 体 管 电 路,进 一 部 提 升系统的机械柔性 和 集 成 的 复 杂 度,从 而 扩 展 柔 性 系统的功能。J.N.Burghartz等人基于 HySiF 技术,结合多 个 柔 性 电 子 组 件,设 计 了 一 款 智 能 电 子 皮肤[50],图16所 示 为 这 款 电 子 皮 肤 的 实 物 图。 这 款电子皮肤包括印 刷 应 变 传 感 器、有 机 薄 膜 晶 体 管 寻址电路和20μm 厚 的 超 薄 硅 读 出 芯 片。 所 有 这 些柔性器件都集成 在 同 一 个 聚 合 物 薄 膜 上,并 将 该 电子皮肤组装在机 器 人 抓 取 器 上,用 于 监 测 其 单 轴 弯曲。

5 总结与展望

本文综述了 超 薄 硅 基 芯 片 的 力/电 特 性 的 研 究情况,介绍了几 种 应 用 于 硅 基 芯 片 减 薄 的 前 沿 工 艺和超薄硅基芯片 的 柔 性 封 装 工 艺,以 及 超 薄 硅 基 芯片在 健 康 医 疗、智 能 标 签、能 源、电 子 皮 肤 等 领 域 的应用进展。目前实现高性能柔性硅基芯片应用仍然面临着很多挑 战。在 减 薄 工 艺 方 面,传 统 的 背 面 研磨和湿法刻蚀加 工 过 程 容 易 引 入 缺 陷,改 良 后 的 芯片减薄技术虽然 可 以 得 到 质 量 较 高 的 超 薄 芯 片,但是这些减薄技术成本较高,效率较低,难以实现大批量生产;超薄硅 基 芯 片 的 柔 性 封 装 也 面 临 着 很 多 问题,比如超薄硅 基 芯 片 很 难 直 接 采 用 传 统 的 引 线 键合方案,因为键 合 机 尖 端 触 碰 到 焊 盘 时 芯 片 容 易 出现裂纹,造成 芯 片 损 伤。超 薄 芯 片 采 用 倒 装 芯 片 键合工艺时,需要在焊盘表面制备金属凸点,这也有可能造成应力集 中,导 致 芯 片 发 生 破 碎。虽 然 已 有 一些超薄硅基芯片 柔 性 封 装 技 术,但 是 这 些 技 术 当 下成品率不高,尚 处 于 实 验 室 阶 段,难 以 大 批 量 生 产。此外,半导体器 件 发 展 成 熟 的 一 个 重 要 原 因 是 可 以使用精确的模型 来 预 测 器 件 特 性,但 是 超 薄 硅 基 芯片的应力诱导效应和相关模型的研究较少。与传统芯片不同,超薄硅基芯片在使用过程中会承受应力, 如果不对应力 作 用 下 的 超 薄 硅 基 芯 片 建 模 和 仿 真,就无法在电路设计过程中使用适当的补偿技术。只有解决上述问题,超 薄 硅 基 芯 片 才 能 真 正 走 向 大 规模的工程应用。

来源：半导体封装工程师之家一点号