JP2017531919A - 集積回路ダイが埋設された可撓性電子回路並びにその製造方法及び使用方法 - Google Patents

集積回路ダイが埋設された可撓性電子回路並びにその製造方法及び使用方法 Download PDF

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Abstract

可撓性集積回路（ＩＣ）モジュール、可撓性ＩＣデバイス、及び可撓性ＩＣモジュールを製造及び使用する方法が提示される。可撓性集積回路モジュールが開示され、これは、可撓性基板と可撓性基板に取り付けられた半導体ダイを含む。熱可塑性樹脂及び／又はポリイミド接着剤を含み、中に半導体ダイを封入する封止層が可撓性基板に取り付けられる。封止層は、アクリル系の熱伝導性かつ電気的に絶縁性のポリイミド接着剤であってもよい。任意に、封止層は、Ｂ−ステージＦＲ−４ガラス強化エポキシ熱可塑性ポリマー又はコポリマー又はブレンドであってもよい。ダイは２つの可撓性基板の間に埋設されてもよく、各可撓性基板はポリイミドシート等の可撓性ポリマーの層と、可撓性ポリマーの層の両側に配置された、銅張り等の導電性材料の２つの層とを含む。

Description

本開示は、一般に、プリント回路基板（ＰＣＢ）及び集積回路（ＩＣ）に関する。より詳細には、本開示の態様は、ＩＣダイが埋設された可撓性集積回路に関する。
集積回路（ＩＣ）は、情報化時代の要であり、今日の情報技術産業の基盤である。集積回路（別名「チップ」又は「マイクロチップ」）は、シリコンやゲルマニウムなどの半導体材料の小さなウェハ上にエッチング又はインプリントされたトランジスタ、キャパシタ、及びレジスタなどの相互接続された電子部品のセットである。集積回路は、非限定的な例として、マイクロプロセッサ、増幅器、フラッシュメモリ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、書き換え可能な読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、及びプログラマブルロジックを含む様々な形を取る。集積回路は、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ及びタブレットコンピュータ、スマートフォン、フラットスクリーンテレビ、医療機器、電気通信及びネットワーク機器、航空機、船舶及び自動車を含む無数の製品に使用されている。
集積回路技術及びマイクロチップ製造の進歩により、チップサイズが着実に減少し、回路密度及び回路性能が向上している。半導体集積の規模は、１つの半導体チップが、１セント銅貨よりも小さいスペースに何千万個から十億個以上までのデバイスを保持できるまでに進歩している。さらに、最新のマイクロチップにおける各導線の幅は、１ナノメートルの数分の１の狭さにすることができる。半導体チップの動作速度及び全体的な性能（例えば、クロック速度及び信号ネットのスイッチング速度）は、集積度とともに増加する。オンチップの回路スイッチング周波数及び回路密度の増加に対応するために、半導体パッケージは現在、ほんの数年前のパッケージよりも多いピン数、より大きな電力損失、より高い保護及び速度を提供する。
従来のマイクロチップは、通常の動作環境において湾曲や伸張されるようには設計されていない剛性の構造体である。加えて、ほとんどのＩＣは通常、ＩＣと同程度に又はそれ以上に厚く、同様に剛性のプリント回路基板（ＰＣＢ）に実装される。厚く剛性のプリント回路基板を使用するプロセスは、一般に、伸張可能又は屈曲可能な回路を必要とする用途には適合しない。そのため、マイクロチップを可撓性ポリマー基板の上又は中に埋設するための多くの方策が提案されている。これは、剛性のシリコンベースの電子デバイスでは他の態様では不可能な、多くの有用なデバイス構成を可能にする。しかしながら、これらの方策の多くは、ＰＣＢを構成する可撓性ポリマーの個々の層よりも、埋設チップがかなり厚いという前提に基づいている。そのような方策は、「薄いチップ」構成には適合しない。さらに、可撓性回路を製造するための利用可能なプロセスは、しばしば高価な材料の多数の層を必要とし、材料及び製造のコストを増大させるだけでなく、好ましくない厚い複合構造をもたらす。
本明細書では、半導体ダイが埋設された可撓性電子回路、その製造方法及び使用方法が開示される。本開示の実施形態は、集積回路のシリコン（Ｓｉ）ダイ（又は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）から製造されたものや光発電用途向けのものを含む他の半導体ダイ）を、可撓性ポリマー、ポリイミド接着剤、又は他の可撓性ポリマー接着剤の層に埋設することを対象とする。本開示の態様は、シリコンＩＣチップを基板に直接埋設する際に使用される可撓性基板材料の積層体を記載する。いくつかの構成は、例えば、ダイをポリイミド（ＰＩ）接着剤の層中に固定する。他の構成は、ダイを熱可塑性樹脂の層中に固定する。前述の例のいずれの場合でも、ダイが埋設された基板は、導電性金属コーティングを有する熱硬化性ポリマーシートの複数の層の間に挟み込まれてもよい。例えば２枚の両面銅張ポリイミドフィルムが、埋設基板材料を取り囲むことができる。その結果、４金属層可撓性プリント回路基板が得られる。
本開示の態様は、可撓性集積回路（ＩＣ）モジュールを対象とする。可撓性ＩＣモジュールは、半導体ダイが取り付けられた可撓性基板を含む。可撓性ＩＣモジュールはまた、可撓性基板に取り付けられ又は結合された封止層を含む。封止層は、熱可塑性樹脂又はポリイミド接着剤、又はそれらの両方を含み、その中に半導体ダイを封入する。封止層は、アクリル系の熱伝導性かつ電気的に絶縁性のポリイミド接着剤であってもよい。任意選択で、封止層は、ＢステージＦＲ−４ガラス強化エポキシ熱可塑性ポリマー、コポリマー又はブレンドであってもよい。ダイは２つの可撓性基板の間に埋設されてもよく、各可撓性基板はポリイミドシート等の可撓性ポリマーの層を含み、可撓性ポリマーの各層は銅張り等の２層の導電性材料を両面に有する。より多い又はより少ない層を有するモジュールもまた、本開示の範囲及び趣旨の範囲内にあると見込まれる。
本開示の他の態様によれば、非常に可撓性の電子デバイス用の可撓性集積回路（ＩＣ）パッケージが提示される。可撓性ＩＣモジュールは、可撓性ポリマーの第１の層と導電性材料の第１の対の層とを有する第１の可撓性基板を含む。導電性材料の各層は、可撓性ポリマーの層のそれぞれの側に配置される。シリコンダイは第１の可撓性基板に取り付けられている。シリコンダイは、集積回路が形成されている電子グレードのシリコンのウェハを含む。可撓性ＩＣモジュールはまた、可撓性ポリマーの第２の層と導電性材料の第２の対の層とを有する第２の可撓性基板を含む。導電性材料の各層は、可撓性ポリマーのそれぞれの側に配置される。封止層が、第１及び第２の可撓性基板の間に配置され、それらの両方に積層される。封止層は、熱可塑性樹脂又はポリイミド接着剤、又はそれらの両方を含み、その中にシリコンダイを封入する。
本開示の他の態様は、可撓性集積回路を製造する方法及び使用する方法を対象とする。一態様では、可撓性集積回路モジュールを組み立てる方法が開示される。この方法は、第１及び第２の可撓性基板を提供する工程であって、可撓性基板の各々は、可撓性ポリマーの層及び導電性材料の２つの層を含み、導電性材料の層の各々が可撓性ポリマーの層のそれぞれの側に配置されている、工程と；半導体ダイを第２の可撓性基板に取り付ける工程と；熱可塑性樹脂又はポリイミド接着剤又はそれらの両方を含む封止層を第１の可撓性基板に積層する工程と；熱可塑性樹脂又はポリイミド接着剤又はそれらの両方が半導体ダイの周りを流れて半導体ダイを封入するように、封止層及び第２の可撓性基板を第１の可撓性基板に積層する工程とを含む。熱可塑性樹脂又はポリイミド接着剤を使用することによって、接着材料の更なる層を必要とせずに、封止層を一方の基板にヒートセット積層し、続いて他方の基板にヒートセット積層することができる。これにより、製造コストと材料コストが削減され、モジュールの厚さと全体の体積が最小限に抑えられる。
上記概要は、本開示の各実施形態や全ての態様を表すことを意図するものではない。むしろ、前述の概要は、単に本明細書に記載された新規な態様及び特徴のいくつかの例示を提供するに過ぎない。本開示の上記の特徴及び利点、ならびに他の特徴及び利点は、以下の代表的な実施形態及び本発明を実施するための態様の詳細な説明を、添付の図面及び添付の特許請求の範囲と関連付けて参照すれば容易に明らかになるであろう。
本開示の態様による、柔軟なワイヤボンド相互接続によって接続された集積回路（ＩＣ）パッケージを有する可撓性電子回路システムの一例の斜視図である。 本開示の態様による多層ＩＣモジュールを有する代表的な可撓性電子回路の断面側面図である。 本開示の態様による多層ＩＣモジュールを有する別の代表的な可撓性電子回路システムの断面側面図である。
本開示は、様々な改変及び代替形態が可能であり、いくつかの代表的な実施形態は、図面において例として示されており、本明細書において詳細に記載される。しかしながら、本発明は開示された特定の形態に限定されるものではないことを理解されたい。むしろ、本開示は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨及び範囲内に含まれるすべての改変物、均等物、組合せ、サブコンビネーション及び代替物を包含する。
本発明の実施形態の詳細な説明
本開示は、多くの異なる形態の実施形態が可能である。代表的な実施形態が図面に示され、本明細書において詳細に説明されるが、本開示は本開示の原理の具体化とみなされるべきであり、本開示の広範な態様を例示された実施形態に限定することを意図したものではないと理解されるものとする。その点で、例えば要約、概要、及び詳細な説明の欄に開示されているが、特許請求の範囲には明示的に記載されていない要素及び限定は、推測、推定その他によって、単独でも集合的にも、特許請求の範囲に包含されない。本詳細な説明の目的に関して、特に断らない限り、又は理論的に禁止されない限り：単数は複数を含み、その逆も同様である；「含む」又は「備える」又は「有する」という用語は、「限定せずに含む」を意味する。さらに、「約」、「ほぼ」、「実質的に」、「おおよそ」等の概算の用語は、本願において「丁度、付近、又は大体丁度」又は「３〜５％以内」又は「許容される製造公差内で」、又はそれらの任意の論理的組合せの意味で使用することができる。
語幹及びその派生語を含めた「可撓性」及び「伸張可能」及び「屈曲可能」という用語は、電気回路、電気システム、及び電気デバイス又は電気機器を修飾する形容詞として使用される場合、回路が裂けたり破損したり、電気的特性を損なうことなく、回路をそれぞれ撓め、伸張させ、及び／又は屈曲させることができるような柔軟性又は弾性特性を有する少なくともいくつかのコンポーネントを含む電子機器を包含することを意味する。これらの用語はまた、伸張可能、屈曲可能、膨張可能、又は他の態様の柔軟性を有する表面に適用された時に、適合して機能性を維持するように構成されたコンポーネント（コンポーネント自体が個々に伸張可能、可撓性又は屈曲可能であるか否かは問わない）を有する回路を包含することを意味する。「非常に伸張性の」とみなされる構成では、回路は、非伸張状態で見られる電気的性能を実質的に維持しながら、破壊することなく、−１００％〜１００％の範囲、いくつかの実施形態では、最大−１００，０００％〜＋１００，０００％等の範囲で、かつ／又は、例えば１８０°以上の程度までの高回転ひずみで伸張及び／又は圧縮及び／又は屈曲可能である。
本明細書で言及される別個の「アイランド」又は「パッケージ」は、例えば「デバイスアイランド」構成で配置された個別の動作デバイスであり、それ自体が本明細書に記載の機能又はその一部を実行することができる。動作デバイスのそのような機能には、例えば、集積回路、物理的センサ（例えば、温度、ｐＨ、光、放射線など）、生物学的センサ、化学センサ、増幅器、Ａ／Ｄ及びＤ／Ａコンバータ、光コレクタ、電気機械変換器、圧電アクチュエータ、発光エレクトロニクス（例えば、ＬＥＤ）、及びそれらの任意の組合せが含まれる。１つ以上の標準ＩＣ（例えば、単結晶シリコン上のＣＭＯＳ）を使用する目的と利点は、容易に入手できかつ周知の方法で大量生産された高品質、高性能、高機能の回路部品を使用することであり、これにより、受動的手段によってもたらされるものよりも遥かに勝る様々な機能性及びデータの生成が提供される。個々のアイランドの大きさは、限定するものではないが、端部又は直径で測定して約１０〜１００マイクロメートル（μｍ）の範囲とすることができる。
ここで図面を参照する。いくつかの図を通して同様の参照番号は同様の構成要素を示す。図１は、「非常に伸張性の」ＩＣ装置として適合されるか集積化することが可能な可撓性集積回路（ＩＣ）システムの例を、全体として１０で示す。開示された概念の多くは、図面に示される代表的なシステムを参照して説明される。しかしながら、本明細書に例示されるシステムは、本開示の様々な本発明の態様及び特徴を適用することができる例示的な用途としてのみ提供される。したがって、本開示の新規な態様及び特徴それ自体は、図面に提示される特定の構成及び構成要素に限定されない。さらに、システムの選択された構成要素のみが示されており、以下でさらに詳細に説明される。しかしながら、本明細書で論じるシステム及びデバイスは、例えば、本明細書で開示される様々な方法及び機能を実行するための、多数の追加の及び代替の特徴、及び他の周知の周辺コンポーネントを含むことができる。図示された構成要素のいくつかは任意であり、したがって除外することができる。
図１の可撓性ＩＣシステム１０は、積層バッテリ１２、マイクロチップ１４のセット、センサ１６、センサハブ１８、アンテナ２０、及び集積受動素子（ＩＰＤ）２２Ａ、２２Ｂ及び２２Ｃの組合せ等の様々な電子部品（総称して「回路」と呼ぶ）を含む。この回路は、本明細書で説明するような可撓性の（例えば、伸張可能、屈曲可能及び／又は圧縮可能な）基板２４に適用、固定、埋め込み又は他の方法で取り付けられる。そのため、基板２４は、プラスチック材料又はエラストマー材料、又はそれらの組合せから作成することができる。ＩＣ基板材料に適した可撓性エラストマーの例には、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を含む高分子有機ケイ素化合物（一般に「シリコーン」と呼ばれる）が挙げられる。基板２４に適した材料の他の非限定的な例には、ポリイミド、光パターン形成可能なシリコン、ＳＵ８ポリマー、ＰＤＳポリダストレン、パリレン（登録商標）及びその誘導体及びコポリマー（パリレン（登録商標）−Ｎ）、超高分子量ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリウレタン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリマー複合体、シリコーン／シロキサン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド酸、ポリメチルアクリレート、及びそれらの組合せが挙げられる。基板２４は、任意の可能な数の形状、大きさ、及び構成とすることができる。図示の例では、基板は実質的に平坦であり、いくつかの実施形態では、細長いシート又は片として構成される。
図１の回路は、様々なパラメータのいずれかを検出するための１つ又は複数のセンサ１６（「センサデバイス」とも呼ばれる）を含む。これらのパラメータは、熱的パラメータ（例えば温度）、光学的パラメータ（例えば赤外線エネルギー）、電気化学的及び生化学的パラメータ、例えばｐＨ、酵素活性、血液成分（例えばグルコース）、イオン濃度、及びタンパク質濃度、電気的パラメータ（例えば、抵抗、導電率、インピーダンス等）、音響パラメータ、触覚パラメータ（例えば、圧力、表面特性、又は他のトポグラフィー特徴）等を任意の組合せで含み得る。これに関し、センサ１６の１つ以上は熱電対、シリコンバンドギャップ温度センサ、薄膜抵抗温度デバイス、ＬＥＤエミッタ、光検出器、圧電センサ、超音波センサ、イオン感受性電界効果トランジスタ等であってもよい。いくつかの実施例では、センサ１６の１つ以上は、差動増幅器及び／又はバッファ及び／又はアナログ−デジタルコンバータに結合することができる。センサハブ１８は、マイクロコントローラ又はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）の性質を有することができ、センサ１６からのデータ信号を統合してそのような信号を処理するように動作する。センサ１６からの信号は、多重化技術を用いて処理することができ、１つ以上のマイクロチップ１４を含む１つ又は数個の増幅器／論理回路に切り替えて処理することができる。
バッテリ１２は、図１の可撓性ＩＣシステム１０の回路に電力を供給するための電源として働く。サイズが小さく、適切なアンペア時の容量で十分に長い寿命を有する任意の適切なバッテリを採用することができる。システム１０に電力を供給するために、外部電源を含む代替手段を使用することも本開示の範囲内である。いくつかの実施形態によれば、可撓性ＩＣシステム１０はまた、外部装置と無線通信するためのＲＦアンテナ２０を備えたデータ伝送設備を含む。アンテナ２０は、低周波、高周波又は超高周波アンテナとして動作可能な、ビア付きのプリントされたトレースアンテナコイルを含む様々な形態をとることができる。有線及び無線信号伝送の他の形態も、本開示の範囲内である。各集積受動デバイス（ＩＰＤ）２２Ａ〜２２Ｃは、いくつかの非限定的な例として、フィルタ、変圧器、フォトダイオード、ＬＥＤ、ＴＵＦＴ、電極、半導体、デュプレクサ、カプラ、位相シフタ、薄膜デバイス、回路要素、制御要素、マイクロプロセッサ、キャパシタ、レジスタ、インダクタ、バッファ又は他の受動素子を含む。
基板２４が伸張可能又は圧縮可能である実施形態では、例示される回路は、伸張可能又は圧縮可能であるように、かつ／又は基板２４のそのような伸張／圧縮に適合するように、本明細書に記載されたような適用可能な方法で構成される。同様に、基板２４が屈曲可能であるが、必ずしも伸張可能ではない実施形態では、図示された回路は、屈曲可能かつ／又は基板のそのような屈曲に適合するように、本明細書に記載されたような適用可能な方法で構成される。例えば、例示されるモジュール又は「アイランド」の各々は、１つ又は複数の隣接するモジュールに、ワイヤボンディングされた可撓性の相互接続で接続され、その一部は図１では全体として２６で示されている。個々の相互接続部のデバイスアイランドへの接続点は、デバイスアイランドの縁に沿ったどこにあってもよく、又はデバイスアイランドの上面の点（すなわち、基板２４と反対側の面）にあってもよい。ボンドワイヤ２６は、モジュール上の外部実装ボンドパッド２８に取り付けられ、隣接するモジュール上の対応する外部実装ボンドパッド２８まで延在する。ボンドワイヤは、任意の既知のワイヤボンディング技術、例えば：圧力と超音波振動バーストの組合せを使用して金属冷間圧接を形成する超音波ボンディング；圧力と高温との組合せを使用して溶接を形成する熱圧着；高温、及び超音波振動バーストの組合せを使用して溶接接合部を形成するサーモソニックボンディングにより取り付けられ得る。
次に図２を参照すると、１つ又は複数の多層ＩＣモジュールを有する代表的な可撓性電子回路システム（全体として１００で示される）の断面図が示されている。外観が異なるが、図２の可撓性ＩＣシステム１００は、図１及び図３に示された例に関して本明細書に記載された様々な形態、任意選択の構成、及び機能的な代替形態のいずれをも取ることができ、よって、対応する選択肢及び特徴のいずれをも含むことができる。図１のシステム１０と同様に、例えば、図２のシステム１００は、超薄型の、極めて伸張性のある集積回路システムとして構成することができる。さらに、システム１００は、複数の別個のデバイス（そのうちの１つが図２に、可撓性ＩＣモジュール１０２によって示されている）の組合せを含むことができ、これらは「デバイスアイランド」構成に配置され、例えば柔軟な電気的相互接続によって電気的に結合されている。システム１００は、図面に示されている別個のデバイスの数よりも多い又は少ない数を含むことが考えられ、その各々は代替の形態及び構成を取ることができる。
図２の実施形態において、ＩＣモジュール１０２は、必ずしも限定されないが、本明細書に記載の機能の１つ以上を実行可能な可撓性の多層集積回路（ＩＣ）パッケージ又は「積層体」を含む。モジュール１０２は、少なくとも２つの可撓性基板１０６Ａ及び１０６Ｂの間に配置された少なくとも１つの半導体ダイ１０４を含む。図示されるように、半導体ダイ１０４（本明細書では「シリコンダイ」とも呼ぶ）は、集積回路（又はマイクロチップ）１０５が（例えば、フォトリソグラフィ又は業界で認められている任意の他の既知の技術により）形成された電子グレードのシリコン１０３のウェハを含む。いくつかの実施形態では、半導体ダイ１０４は、第２の可撓性基板１０６Ｂに直接接着される。マイクロチップ１０５は、約２〜７μｍの厚さ、又はいくつかの実施形態では約５〜７μｍの厚さ、又はいくつかの実施形態では約３〜５μｍの厚さ、又はいくつかの実施形態では約２〜３μｍの厚さの「薄いチップ」構成であってもよい。比較すると、半導体ダイ１０４は例えば、約１０〜５０μｍの厚さ、又はいくつかの実施形態では約３５〜５０μｍの厚さ、又はいくつかの実施形態では約１５〜２５μｍの厚さ、又はいくつかの実施形態では約１０〜１５μｍの厚さを有する。本明細書で説明する代表的なシステム、方法及びデバイスでは、薄いチップの各々は、１つ又は複数の受動電子デバイス及び／又は１つ又は複数の能動電子デバイスとすることができる。本明細書に記載の原理のいずれかに従って埋設することができるデバイスの非限定的な例には、増幅器、トランジスタ、フォトダイオードアレイ、光検出器、センサ、発光デバイス、光起電デバイス、半導体レーザアレイ、光学イメージングデバイス、論理ゲートアレイ、マイクロプロセッサ、光電子デバイス、微小電気機械デバイス、微小流体デバイス、ナノ電気機械デバイス、熱デバイス、又は他のデバイス構造が挙げられる。
シリコンダイ１０４が図２に示されており、第１及び第２の可撓性基板１０６Ａ、１０６Ｂの間に挟まれており、これらはそれぞれ、１つ以上の可撓性導電層が差し挟まれた１つ以上の可撓性ポリマー層を含む。図示されているように、第１の可撓性基板１０６Ａは、可撓性ポリマー１１２Ａの（第１の）層のそれぞれの側に配置された導電性材料の２つの（第１の）層１１０Ａを含む。同様に、第２の可撓性基板１０６Ｂは、可撓性ポリマー１１２Ｂの（第２の）層のそれぞれの側に配置された導電材料の２つの（第２の）層１１０Ｂを含む。可撓性ポリマー１１２Ａ、１１２Ｂの層は、熱硬化性ポリイミドポリマーのシートとして製造することができ、導電性材料の層１１０Ａ、１１０Ｂは、金属のシート又はコーティングとして製造することができる。１つの特定の実施例では、可撓性ポリマー層１１２Ａ、１１２Ｂは、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）から入手可能なＫＡＰＴＯＮ（登録商標）フィルム等の液晶ポリマー又はポリイミドポリマーから製造される。別例として、可撓性ポリマー層１１２Ａ、１１２Ｂは、図１の基板２４に関して上述した材料又は可撓性電子回路に適した他の材料のいずれからも製造することができる。ポリマー層１１２Ａ、１１２Ｂはそれぞれ、約７μｍ〜約８５μｍ、又はいくつかの実施形態では約６０μｍ〜約８５μｍ、又はいくつかの実施形態では約２５μｍ〜約５０μｍ、又はいくつかの実施形態では約７μｍから約１０μｍの厚さを有することができる。モジュール１０２は、図２に示される層よりも多い又は少ない層を含むことが想定される。
第１及び第２の導電性の（ポリマー又は金属の）層１１０Ａ、１１０Ｂは、図２に示すように、可撓性ポリマー層１１２Ａ、１１２Ｂの対向する側に配置される。一例では、銅張りの層が、例えば、電気メッキ、ボンディング、又は他の既知のクラッディング技術を介して、細長い平坦なポリイミドシートの対向する面に適用される。その後、両面銅張りポリイミドのシートを、アブレーション、エッチング又は他の類似のパターニング方法を用いて回路とともにパターニングすることができる。各導電層１１０Ａ、１１０Ｂは、約５μｍ〜約２０μｍの厚さ、又はいくつかの実施形態では約１５μｍ〜約２０μｍの厚さ、又はいくつかの実施形態では約１０μｍ〜約１２μｍの厚さ、又はいくつかの実施形態では約５μｍ〜約８μｍの厚さを有することができる。導電層は、例えば、アルミニウム又は銅とアルミニウムの組合せを含む他の金属材料、ならびに非金属材料から製造することもできる。
封止層１０８は、図２の２つの可撓性基板１０６Ａ、１０６Ｂの間に配置され、それらに取り付けられ又は結合される。封止層１０８は、ダイ１０４が可撓性基板１０６Ｂと封止層１０８との間に封入されるように、半導体ダイ１０４を覆うポリイミド（ＰＩ）接着剤であってもよい。いくつかの実施形態では、封止層１０８は、アクリル系の熱伝導性かつ電気的に絶縁性のポリイミド接着剤であり、最初に１つの可撓性基板１０６Ｂ上に積層され、ダイ１０４上を流れて包囲し、続いて別の基板１０６Ａに積層されて多層積層体を形成する。封止層１０８は、約１５μｍ〜約６５μｍ、又はいくつかの実施形態では約２０μｍ〜約５５μｍ、又はいくつかの実施形態では約２５μｍ〜約５０μｍの厚さを有することができる。封止層１０８の厚さは、少なくともいくつかの実施形態では１６μｍである。封止層１０８は、組み立て及び処理の温度に耐えるように構成された導電性接着剤又は非導電性（誘電性）接着剤であってもよい。いくつかの任意かつ代替の構成では、封止層１０８は、フルオロポリマー接着剤、ポリイミド混合接着剤、エポキシ接着剤、又はデュポン（ＤｕＰｏｎｔ）から入手可能なＰＹＲＡＬＵＸ（登録商標）Ｂｏｎｄ−Ｐｌｙ等のアクリル系接着剤、あるいはこれらの組合せであってもよい。
ポリイミド接着剤は、熱的酸化安定性、高い使用温度性能（例えば５７５°Ｆ＋（３０２℃））、耐湿性及び耐環境性を維持しながら、複合材ラミネートと、銅、ステンレス鋼及びチタン等の様々な高温金属基板とを結合させることができる非金属有機接着剤である。集積回路用途に適した他の多くの利用可能な接着剤組成物とは異なり、ＰＩ接着剤は、結果として生じる接着の構造的完全性を損なうことなく積層及び再積層することができる。ポリイミド接着剤又は熱可塑性樹脂（図３で後述する）を使用することによって、封止層を１つの基材にヒートセット積層し、続いて追加の接着剤材料の層を必要とせずに別の基材にヒートセット積層することができる。これにより、製造コストと材料コストが削減され、モジュールの厚さと全体の体積が最小限に抑えられる。
多層積層体の異なる層の間の導電性接続を可能にするために、例えばレーザドリルを用いて、可撓性ＩＣパッケージの外層を貫通するチャネルとして１つ以上のビアを形成することができる。例えば図２では、可撓性ＩＣモジュール１０２は、モジュール１０２（例えば、３層基板１０６Ａ）の最上層を貫通してマイクロチップ１０５まで延在する一対のビア１１６を含む。これらのビア１１６が形成されると、ビア１１６は上部導電層１１０Ａからダイの１つ以上の電気コンタクトパッドへの電気的接続を形成するために、電気メッキされるか、又はスパッタリング又は他の既知の技術によって充填され得る。次いで、導電層をパターニングし、各導電層の外面にオーバーレイを適用することができる。いくつかの実施例では、オーバーレイは非導電性ポリマーである。
例示された多層ＩＣパッケージは、図２に示されるサンドイッチ構造よりも多くの、又はより少ない層を含むことが企図される。また、明細書及び特許請求の範囲における用語「層」の使用は、特許請求の範囲において、そうでないことが明示的に記載されない限り、必ずしもサンドイッチ構造の特定のセグメントが、連続的であることや他の全ての層全体に及ぶ（すなわち、同一の広がりを持つ）ことを必要としない点にも留意されたい。いくつかの用途では好ましいことであるが、一方の可撓性基板の層が他方の可撓性基板の層と同じ材料から製造されることは、実際には必ずしも必要ではない。いくつかの実施例では、多層パッケージは、１つ以上の隣接するデバイスとの電気的結合に先立って、別個の統一された構造として真空積層されることが望ましい場合がある。
図３は、別の代表的な可撓性電子回路システムを、１つ又は複数の多層ＩＣモジュールと共に全体として２００で示す。図３では、図２と同様の構造を示すために同様の参照番号が使用されている。例えば、図３のシステム２００は可撓性ＩＣモジュール２０２を含む個別のデバイスの組合せを含むことができ、これらは「デバイスアイランド」構成に配置され、例えば、可撓性の電気的相互接続によって電気的に結合されている。さらに、可撓性ＩＣシステム２００は、明示的に又は理論的に禁止されない限り、図面に示された他の例に関して本明細書に記載された（逆の場合も同様）様々な形態、任意選択の構成、及び機能的代替物のいずれをも取ることができる。
図２に例示された例と同様に、図３のＩＣモジュール２０２は、少なくとも２つの可撓性基板２０６Ａ及び２０６Ｂの間に配置された少なくとも１つの半導体ダイ２０４を有する可撓性多層集積回路（ＩＣ）パッケージを含む。いくつかの実施形態では、半導体ダイ２０４は第２の可撓性基板２０６Ｂに直接接着される。第１及び第２の可撓性基板２０６Ａ、２０６Ｂの各々は、１つ又は複数の可撓性の導電層に挟み込まれた１つ又は複数の可撓性ポリマー層を含む。本明細書に開示される本発明の態様を実施するためにそれ自体は必要とされないが、図３の半導体ダイ２０４及び可撓性基板２０６Ａ、２０６Ｂは、図２に示されるそれらの対応物と構造及び機能が同一であり得る。したがって、簡潔にするため、これらの要素の重複した説明は省略する。
封止層２０８は、図３の２つの可撓性基板２０６Ａ、２０６Ｂの間に配置され、それらに取り付けられている。図２に記載されたポリイミド接着剤に加えて、又はそれに代えて、図３の封止層２０８は、半導体ダイ２０４が可撓性基板２０６Ｂと封止層２０８との間に封入されるように、ダイ２０４を覆う熱可塑性ポリマー、コポリマー又はポリマーブレンド（まとめて「熱可塑性樹脂」と称する）であってもよい。いくつかの実施形態では、封止層２０８は、ＢステージＦＲ−４ガラス強化エポキシ熱可塑性ポリマー又はコポリマー又はブレンドであり、最初に１つの可撓性基板２０６Ｂ上に積層され、ダイ２０４上を流れて包囲し、次いで別の基板２０６Ａに積層されて多層積層体を形成する。いくつかの非限定的な例において、熱可塑性樹脂には、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレン（ＰＥＴ）、及びポリウレタン（ＰＵ）、ならびにこれらの材料の任意の複合体又はコポリマーブレンドが挙げられる。コポリマーブレンドは、これらの熱可塑性ポリマーのうちの１つの上にポリイミド層を含むことができる。封止層２０８は、約１５μｍ〜約６５μｍ、又はいくつかの実施形態では約２０μｍ〜約５５μｍ、又はいくつかの実施形態では約２５μｍ〜約５０μｍの厚さを有することができる。
ダイを封入するために熱硬化性コア上に熱可塑性コアを使用することの機能上の利点は、熱硬化性プラスチックが恒久的な固体状態を維持するのに対して、熱可塑性ポリマーは溶融させ、さらに再溶融させて可塑化状態又は液体状態に戻すことができる点にある。熱可塑性樹脂は、加熱すると軟化し、更に熱が加えられるにつれてより流動性になる。また、化学的結合が生じないため、硬化の過程は可逆的である。この特性により、材料の物理的性質に悪影響を与えることなく、熱可塑性樹脂を再加熱及び再成形することが可能になる。様々な性能上の利点をもたらす多数の熱可塑性樹脂があるが、ほとんどの材料が共通して高強度、耐収縮性、及び容易な曲げ性を提供する。
可撓性集積回路の製造方法も本明細書に開示される。これらの方法は、図面の図１〜３に示す様々な構成及び特徴を参照して説明される。そのような参照は、純粋に説明及び明確化のために提供される。一例では、方法３００が図４に示されており、ここでは先ずステップ３０１で第１及び第２の可撓性基板（例えば図２の基板１０６Ａ，Ｂ又は図３の基板２０６Ａ，Ｂ）を提供する。上記で示したように、各基板は、可撓性ポリマーの層（例えば、図２の可撓性ポリマー層１１２Ａ，Ｂ）と、可撓性ポリマー層の両側に配置された導電性材料の層（例えば、図２の導電性材料層１１０Ａ，Ｂ）とを含むことができる。上記で示したように、可撓性基板は、両面銅張ポリイミドフィルムのシートを含むことができる。方法３００は、次いでステップ３０３において、両方の基板に回路をパターニングすることを必要としてもよい。
ステップ３０５において、シリコンベースの半導体ダイ（例えば、図２及び３の半導体ダイ１０４及び２０４）を続いて一方の可撓性基板（例えば、図２及び３の第２の可撓性基板１０６Ｂ又は２０６Ｂ）上に直接配置し、例えば無調整のエポキシによって、その外側金属層に直接取り付け又は結合させる。図４に示すように、方法３００はその後ステップ３０７において、他方の可撓性基板（例えば、図２及び３の第１の可撓性基板１０６Ａ又は２０６Ａ）に封止層（例えば、ＰＩ接着剤又は熱可塑性樹脂）を積層することを含む。ステップ３−９において、封止層を有する可撓性基板は続いて、封止層の熱可塑性樹脂及び／又はポリイミド接着剤が半導体ダイの周りを流れて半導体ダイを封入するように、シリコンダイを有する他方の可撓性基板に積層される。ステップ３１１において、次に、１つ以上のビアを、半導体ダイ上のコンタクトまで第２の可撓性基板及び封止層を貫通して穿孔するか、又は他の方法で形成することができる。方法３００は、その後、第１の可撓性基板を半導体ダイに接続するためにビアを電気メッキすることを含んでもよい。その後、追加の回路パターニングを実行して保護ソルダーマスクを積層体の外面に適用してもよい。
いくつかの実施形態において、前述の方法は、少なくとも上記に列挙したステップを含む。ステップを省略し、追加のステップを含み、かつ／又は本明細書に提示された順序を変更することも、本開示の範囲及び趣旨の範囲内である。前述の方法の各々は、関連するステップの１つの順序の代表例であり得るが、これらの方法の各々は、体系的かつ反復的に実施されることも想定されることにさらに留意すべきである。
本開示は、本明細書に開示される厳密な構造及び組成物に限定されず、前述の説明から明らかな任意の及び全ての改変、変更及び変形は、添付の特許請求の範囲に定義される本開示の趣旨及び範囲に含まれる。さらに、本発明の概念は、前述の要素及び態様の任意の及び全ての組合せ及びサブコンビネーションを明白に含む。

Claims (22)

  1. 可撓性集積回路（ＩＣ）モジュールであって、
    可撓性基板と、
    可撓性基板に取り付けられた半導体ダイと、
    可撓性基板に取り付けられているとともに、熱可塑性樹脂又はポリイミド接着剤、又はそれらの組合せを含む封止層と
    を含み、封止層は半導体ダイを封入しているか、又は封止層に半導体ダイが挟まれている、可撓性集積回路モジュール。
  2. 封止層がポリイミド接着剤である、請求項１に記載の可撓性集積回路モジュール。
  3. ポリイミド接着剤は、アクリル系の熱伝導性かつ電気的に絶縁性のポリイミド接着剤を含む、請求項２に記載の可撓性集積回路モジュール。
  4. 封止層が熱可塑性樹脂である、請求項１に記載の可撓性集積回路モジュール。
  5. 熱可塑性樹脂は、ＢステージＦＲ−４ガラス強化エポキシ熱可塑性ポリマー又はコポリマー又はブレンドである、請求項４に記載の可撓性集積回路モジュール。
  6. 半導体ダイは、集積回路が取り付けられた電子グレードのシリコンウェハを含む、請求項１に記載の可撓性集積回路モジュール。
  7. 可撓性基板は可撓性ポリマーの層及び導電性材料の２つの層を含み、導電性材料の層の各々が可撓性ポリマーの層のそれぞれの側に配置されている、請求項１に記載の可撓性集積回路モジュール。
  8. 可撓性ポリマーの層は熱硬化性ポリイミドポリマーのシートを含み、導電性材料の各層は銅コーティングを含む、請求項７に記載の可撓性集積回路モジュール。
  9. 銅コーティングの各層は、熱硬化性ポリイミドポリマーのシートのそれぞれの側においてパターニングされている、請求項８に記載の可撓性集積回路モジュール。
  10. 封止層の、前記可撓性基板とは反対側に取り付けられた第２の可撓性基板を更に含む、請求項７に記載の可撓性集積回路モジュール。
  11. 第２の可撓性基板は、可撓性ポリマーの第２の層及び導電性材料の２つの第２の層を含み、導電性材料の第２の層の各々が可撓性ポリマーの第２の層のそれぞれの側に配置されている、請求項１０に記載の可撓性集積回路モジュール。
  12. 可撓性ポリマーの第２の層は熱硬化性ポリイミドポリマーのシートを含み、導電性材料の第２の層の各々は銅コーティングを含む、請求項１１に記載の可撓性集積回路モジュール。
  13. 第２の可撓性基板は、それを貫通して半導体ダイまで延在する１つ以上のビアを更に含む、請求項１０に記載の可撓性集積回路モジュール。
  14. 封止層がポリウレタンから製造されている、請求項１に記載の可撓性集積回路モジュール。
  15. 極めて可撓性の電子デバイスのための可撓性集積回路（ＩＣ）パッケージであって、
    可撓性ポリマーの第１の層、及び、前記可撓性ポリマーの第１の層のそれぞれの側に各々配置されている導電性材料の第１の対の層を含む第１の可撓性基板と、
    第１の可撓性基板に取り付けられ、集積回路が形成された電子グレードのシリコンウェハを含むシリコンダイと、
    可撓性ポリマーの第２の層、及び、前記可撓性ポリマーの第２の層のそれぞれの側に各々配置されている導電性材料の第２の対の層を含む第２の可撓性基板と、
    第１及び第２の可撓性基板の間に配置されるとともにそれらに積層され、かつ前記シリコンダイを封入している熱可塑性樹脂又はポリイミド接着剤、又はそれらの両方を含む封止層と
    を含む、可撓性集積回路パッケージ。
  16. 可撓性回路（ＩＣ）モジュールを組み立てる方法であって、
    第１の可撓性基板及び第２の可撓性基板を提供する工程であって、可撓性基板の各々は、可撓性ポリマーの層及び導電性材料の２つの層を含み、導電性材料の層の各々が可撓性ポリマーの層のそれぞれの側に配置されている、工程と、
    半導体ダイを第２の可撓性基板に取り付ける工程と、
    熱可塑性樹脂又はポリイミド接着剤、又はそれらの両方を含む封止層を、第１の可撓性基板に積層する工程と、
    前記熱可塑性樹脂又は前記ポリイミド接着剤、又はそれらの両方が、半導体ダイの周りを流れて半導体ダイを封入するように、封止層及び第１の可撓性基板を第２の可撓性基板に積層する工程と
    を含む、方法。
  17. 第１及び第２の可撓性基板の導電性材料の層の１つ又は複数に回路をパターニングする工程を更に含む、請求項１６に記載の方法。
  18. １つ以上のビアを、第１の可撓性基板を貫通させて半導体ダイまでレーザ穿孔する工程を更に含む、請求項１６に記載の方法。
  19. 第１の可撓性基板を半導体ダイに接続するために前記１つ以上のビアを電気メッキする工程を更に含む、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記封止層がポリイミド接着剤であり、前記ポリイミド接着剤が、アクリル系の熱伝導性かつ電気的に絶縁性のポリイミド接着剤を含む、請求項１６に記載の方法。
  21. 封止層が熱可塑性樹脂であり、前記熱可塑性樹脂がＢステージＦＲ−４ガラス強化エポキシ熱可塑性ポリマー又はコポリマー又はブレンドを含む、請求項１６に記載の方法。
  22. 封止層がポリウレタン材料から製造されている、請求項１６に記載の方法。
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