灵活的混合添加剂技术电子产品包装和与人体的集成

由Gity Samadi和保罗西门

灵活的混合电子(FHE)催生了新型包装技术的发展要克服刚性板的应用局限性,高温焊料,笨重的组件包,和插入过程中使用传统的印刷电路板。薄,灵活的基质,裸死,印刷和小型门店的组合包装组件要求circuitization添加剂的使用流程,机械连接和封装。

与大师添加剂技术,如印刷(如屏幕、凹印)或直接写(如喷墨,气溶胶喷射,挤压)存款导体、绝缘体、粘合剂、和其他材料精确连接电子元器件灵活的基板,材料可以被治愈(如热、红外、紫外光子)不需要延长暴露在高温下。

FHE制造商一直在努力利用这些新的互连和附加技术先进的包装,使更紧凑,重量轻,和更高性能的微电子系统。虽然这些技术还不常用,演讲FLEX 20227月指着有趣的可能性。

Wafer-level印刷包装

一个例子是应用凹版胶印球形阵列包装(图1)。小森精密印刷设备供应商,证明过程存款30 mm的支柱通量粘贴在60毫米间距直接在晶圆片使用凹印抵消;30毫米焊料球然后放在柱子的顶部在一个单独的过程。

图1:凹版胶印直接用于创建柱晶片(左);焊料球放在柱子。来源:小森

凹版胶印也被用于沉积扇出导体线连接到模垫在倒装芯片裸模组装在柔性基板(图2)。NextFlex,行业协会的使命是促进美国制造业打印灵活的电子产品,展示了这一过程结合了凹印抵消打印好(30毫米)扇出线路下垫板,跟踪,丝网印刷,凹版抵消地方撞模垫。

图2:凹版胶印可用于创建细纹的扇出(左)和凸模垫(r),结合丝网印刷(c)创建痕迹。来源:小森

直写技术力量和射频模块

虽然FHE不是通常与高功率有关,高温应用,集团致力于高性能的应用,如电力和射频模块正在探索结合加法电路材料和基板上未封装组件。除了潜在的紧凑,低调,和整合包,加法制造模块承诺低电感,这些高性能的关键模块。

通用电气(General Electric),处理宾厄姆顿大学,探讨了构建碳化硅功率模块的直写技术包。的假设是,这些技术可以取代wirebonded和平面包、笨重和有限的性能(图3)。原型开发与选定的组合绝缘和导电材料和淀积技术正在评估会议更小的包的大小和低电感的要求。

图3:为了克服wirebonded功率模块(l)的性能限制,平面模块已经开发出来,这需要半导体封装和PCB技术(c);使用直写技术导体和绝缘体(r)矿床提供了潜在的保形/低调包。来源:通用电气

宾厄姆顿大学报道了使用一个Optomec气溶胶喷射系统选择性沉积和模式两种介质和导电材料的多层结构来创建元素毫米波高分辨率三维电路电子产品。

研究人员使用直写模式与基质材料常规性能和铜箔蚀刻电路,使一个更简单、更紧凑的包。这些打印连接显示类似的射频和性能导线债券(图4)。此外,气溶胶喷射沉积使宾厄姆顿制造3 d天线结构。

图4:金属绝缘体半导体(MIS)电容器通过金线连接债券(左)和气溶胶喷射丝带(r)。来源:宾厄姆顿大学

光子治疗替代焊料回流

光子治疗已被用于应用导体,粘合剂,焊接柔性基板不能够承受高温。光子学养护提供强烈的能量爆发在光学波长治愈和烧结油墨和贴,以及回流焊——这种方法通常未被用于传统的(刚性)电子、高温焊料回流炉使用。

PulseForge,3 d印刷和设计服务的提供者,已经开发出一种数码热过程,使用一个精确、毫秒级的强烈光脉冲从灯管产生内表面温度数百名度高于基质材料,使焊料的流动而不影响底物或组件材料。过程允许使用标准的焊料与低温基质、敏感涂料,以及其他组件(如电池和光学设备,可以使用各种各样的连接器。虽然过程不是面向刚性板使用,它使金属间化合物厚度控制通过选择工艺参数(图5)。

回流炉相比,光子治疗使处理时间超过10倍的三分之一的足迹和只消耗15%的力量。

图5:数字热处理使用各种连接类型(l),工艺参数的控制使控制金属间化合物的厚度在刚性板(r)。来源:PulseForge

收敛FHE技术和先进的包装吗?

Nextflex指出FHE可以消除区分包方式,印刷电路板(PCB)和系统(图6)。例如,当混合电子方法使添加剂印刷电路和多片模块结构电子使电路和内部零件,non-planar表面,和3 d结构。

图6:FHE电子制造业。来源:NextFlex

混合包装结合添加剂沉积技术、芯片和基板的材料和董事会。NextFlex发表了这些新颖的包装方法的应用实例,包括衣物和纺织品、保形监测和主动运输标签。未来的组件技术用于混合包装可能包括嵌入式应用流体学、MEMS集成光子学和光电。

评论整合3 d打印技术和添加剂的潜力电子包装,马修·戴森的市场研究公司IDTechEx指出,部分添加剂半导体封装的商业化使用的技术包括激光诱导正向传递(电梯),激光直接构建(像),气溶胶喷射,挤压导电胶,双人特写镜头成型,然后印刷板很可能在未来几年内,与完全添加剂半导体封装在五年内的可能性。望在接下来的十年,他预言完全添加剂电子与表面装配设备组件将被整合(SMD),添加剂电子将用于完整的异构集成。

将FHE与身体

仿生技术的关键支持灵活的机械系统,可以感知和动作与人体音乐会。FLEX 2022由肖恩·米切尔Artimus机器人,布莱恩星巴克和他的同事们佐治亚理工学院许,盛加州大学圣地亚哥分校指出FHE进步使薄,保形设备可以感知各种条件以及提供驱动。

Artimus机器人正在开发一种纤维HASEL(液压放大自愈静电)致动器技术可以扩展设计,合同,或者像人体旋转。电极涂层的技术使用电动液压驱动,双方袋封装一块有弹性的聚合物电介质液体。通过将一个电荷在电极,压缩袋,使控制增加压力。生产使用的成熟和广泛使用的材料和过程。袋可以用便宜的材料,如聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),热塑性聚氨酯(TPU),或聚偏二氟乙烯(PVDF)和电介质同样可以使用常见的材料,如蔬菜或硅油。

生产HASEL设备涉及使用热封和形状电影,丝网印刷或其他大部分沉积电极和与电介质填充袋,浸渍涂敷系统封装。Artimus机器人还设计了一个高压电源,独立地址10频道10 kV,由两个3.7 V, 2500 mAh锂聚合物电池;电源重250 g和措施8.4厘米×13.3厘米×2厘米。一个集成单片机使一个反馈循环,允许整个电极电容式感应测量电极的间距和运动的程度。

图7:人机接口(上)和工业自动化(底部)应用Artimus机器人设想。来源:Artimus机器人

专注于应用程序和技术协助运动神经运动的障碍患者和衰老肌肉,佐治亚理工学院正在开发一个灵活的系统,使用感觉反馈通过肌电图(EMG)评估肌肉和运动神经元通过气动人工肌肉驱动健康和增强实力。肌电图系统使用nanomembrane电极,通过电子束蒸发捏造,符合皮肤和测量电压不同的肌肉组织。

乔治技术团队开发了一种柔性电路板与a / D转换器和蓝牙低能收发器芯片。灵活的董事会是封装在一个可充电电池电极和特性。该组织将肌电图数据转换为图像用于火车卷积神经网络使用深度学习和预测的运动。预测可以用来直接增强人类肌肉的气动系统。

现有的可穿戴设备上使用软电子可以检测生命体征或接近皮肤使用电信号(如心电图(ECG或EKG),氧气水平(脉搏血氧测量),温度,一些运动数据,通过汗水和化学数据。徐盛集团在加州大学圣地亚哥分校嵌入式电极和超声换能器在硅胶制造符合皮肤的柔软的超声换能器阵列,可以折叠,拉伸和扭曲。此外,团队开发可穿戴的相控阵列,以高分辨率能深深地穿透组织和活跃的转向,以及多普勒成像应用于心脏组织。

西门是特殊项目顾问半。他与NextFlex以前,灵活的混合电子制造业创新研究所。