KR20200010208A - 사전 패터닝을 갖지 않는 기판 상의 회로 요소들의 전기적 상호접속 - Google Patents
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Abstract
전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법은 일체형 콘택들을 갖는 전자 컴포넌트를 포함하는 다이를 유전체 기판에 고정하는 단계를 포함한다. 다이를 고정한 후, 전도성 트레이스는, 기판 상의 전도성 트레이스와 전자 컴포넌트 사이에 옴 접속을 생성하기 위해 유전체 기판 및 일체형 콘택들 중 적어도 하나의 일체형 콘택 둘 모두 위에 인쇄된다.
Description
본 발명은 일반적으로 전자 디바이스들의 제조에 관한 것으로, 구체적으로는 기판 상의 전도성 트레이스들의 직접 기록에 의해 회로들을 생성하기 위한 방법들 및 장치들에 관한 것이다.
레이저 직접 기록(LDW) 기술들에서는, 레이저 빔을 사용하여, 제어된 재료 절제 또는 증착에 의해 공간적으로 분해된 3D 구조들을 갖는 패터닝된 표면을 생성한다. 레이저 유도 순방향 전사(LIFT: laser-induced forward transfer)는 표면 상에 미세 패턴들을 증착할 때 적용될 수 있는 LDW 기술이다.
LIFT에서, 레이저 광자들은 작은 볼륨의 재료를 도너 필름(donor film)으로부터 억셉터 기판(acceptor substrate)을 향해 방출하기 위한 구동력을 제공한다. 통상적으로, 레이저 빔은 비흡수성 캐리어 기판 상에 코팅된 도너 필름의 내측과 상호작용한다. 즉, 입사 레이저 빔은 광자들이 필름의 내부 표면에 의해 흡수되기 전에 투명 캐리어를 통해 전파된다. 소정의 에너지 임계치 위에서, 재료는 도너 필름으로부터 기판의 표면을 향해 방출되며, 기판은 일반적으로 이 분야에 알려진 LIFT 시스템들에서 도너 필름에 근접하거나 심지어는 접촉하도록 배치된다. 인가되는 레이저 에너지는 조사되는 필름 볼륨 내에서 생성되는 순방향 추진력(thrust of forward propulsion)을 제어하기 위해 변경될 수 있다. 나겔(Nagel) 및 리퍼트(Lippert)는 Nanomaterials: Processing and Characterization with Lasers, Singh et al., eds.(Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2012), pages 255-316에서 발표된 "디바이스들의 제조를 위한 레이저 유도 순방향 전사(Laser-Induced Forward Transfer for the Fabrication of Devices)"에서 미세 제조에서의 LIFT의 원리들 및 응용들을 조사하였다.
금속 도너 필름들을 사용하는 LIFT 기술들은 전기 회로들의 수리와 같은 다양한 응용들을 위해 개발되었다. 예를 들어, 개시내용이 본 명세서에 참고로 통합되는 PCT 국제 공개 WO 2010/100635는 레이저를 사용하여 회로 기판 상에 형성된 도체의 도체 수리 영역을 사전 처리하는 전기 회로 수리 시스템 및 방법을 설명한다. 레이저 빔은 도너 기판의 일부가 그로부터 분리되어 미리 결정된 도체 위치로 전사되게 하는 방식으로 도너 기판에 인가된다.
다른 예로서, 개시내용이 본 명세서에 참고로 통합되는 PCT 국제 공개 WO 2015/181810은 대향하는 제1 표면 및 제2 표면, 및 제2 표면 위에 형성된 금속을 포함하는 도너 필름을 갖는 투명한 도너 기판을 사용하는 재료 증착 방법을 설명한다. 도너 기판은 억셉터 기판에 근접하게 위치설정되며, 제2 표면은 억셉터 기판에 대면한다. 레이저 방사선의 펄스들은 도너 기판의 제1 표면을 통과하고 도너 필름 상에 충돌하도록 지향되어, 용융 재료의 방울들의 도너 필름으로부터 억셉터 기판 상으로의 방출을 유도한다.
LIFT는 다양한 유형의 기판들 상에 금속 트레이스들을 인쇄하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 개시내용이 본 명세서에 참고로 통합되는 PCT 국제 공개 WO 2016/063270은 2 ㎛ 미만의 두께를 갖는 금속을 포함하는 도너 필름이 증착된 투명한 도너 기판을 사용하는 금속화 방법을 설명한다. 도너 기판은 반도체 재료를 포함하는 억셉터 기판에 근접하게 위치설정되며, 도너 필름은 억셉터 기판에 대면하고, 도너 필름과 억셉터 기판 사이에는 적어도 0.1 mm의 갭이 존재한다. 2 ns 미만의 펄스 지속기간을 갖는 일련의 레이저 펄스들이 도너 기판 상에 충돌하도록 지향되어, 금속의 방울들이 도너 층으로부터 방출되고 억셉터 기판 상에 내려앉게 함으로써 반도체 재료와 옴 접촉(ohmic contact)하는 회로 트레이스를 형성한다.
이하에서 설명되는 본 발명의 실시예들은 기판 상에 전자 컴포넌트들을 상호접속하기 위한 새로운 기술들을 제공한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 일체형 콘택들을 갖는 전자 컴포넌트를 포함하는 다이를 유전체 기판에 고정하는 단계를 포함한다. 다이를 고정한 후, 전도성 트레이스는, 유전체 기판 상의 전도성 트레이스와 전자 컴포넌트 사이에 옴 접속을 생성하기 위해 유전체 기판 및 일체형 콘택들 중 적어도 하나의 일체형 콘택 둘 모두 위에 인쇄된다.
일부 실시예들에서, 전도성 트레이스를 인쇄하는 단계는 유전체 기판 및 일체형 콘택들 중 적어도 하나의 일체형 콘택 둘 모두 상으로 전도성 재료의 방울들을 방출하는 단계를 포함한다. 개시된 실시예들에서, 방울들을 방출하는 단계는 전도성 재료를 포함하는 도너 필름 상에 충돌하도록 펄스형 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함하며, 이에 따라 방울들은 레이저 유도 순방향 전사(LIFT)에 의해 방출된다. 일 실시예에서, 방울들을 방출하는 단계는 방울들이 유전체 기판의 표면에 대해 비스듬한 각도로 다이를 향해 방출되도록 펄스형 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함한다. 추가로 또는 대안으로, 방울들을 방출하는 단계는 전도성 트레이스의 트랙을 따라 유전체 기판 상에 접착층을 형성하기 위해 제1 용융 온도를 갖는 제1 금속을 포함하는 제1 도너 필름 상에 충돌하도록 펄스형 레이저 빔을 지향시킨 후에, 접착층 위에 전도성 트레이스를 형성하기 위해 제1 용융 온도보다 높은 제2 용융 온도를 갖는 제2 금속을 포함하는 제2 도너 필름 상에 충돌하도록 펄스형 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함한다.
통상적으로, 다이는 대향하는 상면 및 하면을 갖고, 하면은 유전체 기판에 고정되며, 일부 실시예들에서, 전도성 트레이스가 인쇄되는 일체형 콘택들 중 적어도 하나의 일체형 콘택은 상면 상에 있다. 개시된 실시예에서, 방울들을 방출하는 단계는 전자 컴포넌트 옆에 유전체 기판으로부터 일체형 콘택들 중 적어도 하나의 일체형 콘택에 이르는 방출된 방울들로부터의 기둥을 형성하는 단계를 포함한다. 대안으로, 전도성 트레이스가 인쇄되는 일체형 콘택들 중 적어도 하나의 일체형 콘택은 상면과 하면 사이의 측면들 중 하나의 측면 상에 있다.
개시된 실시예에서, 방법은 방울들을 방출하기 전에, 유전체 기판으로부터의 방울들의 반동(recoil)을 방지하기 위해 유전체 기판에 구멍들의 어레이를 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 방법은 레이저 유도 순방향 전사(LIFT)에 의해 유전체 기판 상으로 접착성 재료의 방울들을 방출함으로써 유전체 기판 상에 접착제 도트들을 인쇄하는 단계를 포함하며, 다이를 고정하는 단계는 접착제 도트들 상에 다이를 배치하는 단계를 포함한다. 추가로 또는 대안으로, 방법은 다이가 유전체 기판에 고정된 후에 LIFT에 의해 다이의 상면 상으로 접착성 재료의 방울들을 방출하는 단계를 포함한다.
개시된 실시예들에서, 전도성 트레이스는 다이를 고정하기 전에 어떠한 전도성 재료도 존재하지 않는, 유전체 기판 상의 자리 위에 인쇄된다. 일부 실시예들에서, 전도성 트레이스를 인쇄하는 단계는 일체형 콘택들 중 적어도 하나의 일체형 콘택의 위치를 자동으로 감지하고, 자동 감지된 위치에 응답하여 전도성 트레이스를 인쇄하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 유전체 기판은 중합체들, 종이들 및 직물들로 구성된 재료들의 그룹으로부터 선택된 재료를 포함할 수 있는 가요성 포일을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템이 또한 제공된다. 시스템은 일체형 콘택들을 갖는 전자 컴포넌트를 포함하는 다이를 유전체 기판에 고정하도록 구성되는 배치 스테이션을 포함한다.
인쇄 스테이션은, 유전체 기판 상의 전도성 트레이스와 전자 컴포넌트 사이에 옴 접속을 생성하기 위해 유전체 기판 및 유전체 기판에 고정된 다이의 일체형 콘택들 중 적어도 하나의 일체형 콘택 둘 모두 위에 전도성 트레이스를 인쇄하도록 구성된다.
본 발명은 다음의 도면들과 함께 취해지는 본 발명의 실시예들에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 더 충분히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전자 회로 조립을 위한 시스템의 개략적인 측면도 및 블록도이다.
도 2a-2d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전자 회로의 생성에서의 연속적인 스테이지들을 도시하는 개략적인 도면들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 회로 내에 조립된 전자 컴포넌트의 주사 전자 현미경(SEM)에 의해 캡처된 이미지이다.
도 4a-4c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 회로 트레이스의 전자 컴포넌트에 대한 접속에서의 연속적인 스테이지들을 도시하는, 기판 상의 전자 컴포넌트의 개략적인 측면도들이다.
도 2a-2d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전자 회로의 생성에서의 연속적인 스테이지들을 도시하는 개략적인 도면들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 회로 내에 조립된 전자 컴포넌트의 주사 전자 현미경(SEM)에 의해 캡처된 이미지이다.
도 4a-4c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 회로 트레이스의 전자 컴포넌트에 대한 접속에서의 연속적인 스테이지들을 도시하는, 기판 상의 전자 컴포넌트의 개략적인 측면도들이다.
전자 회로들의 제조를 위한 전통적인 공정들에서는, 먼저 전도성 트레이스들의 패턴이 유전체 기판(예를 들어, 강성 또는 가요성 인쇄 회로 기판) 상에 증착된다. 이어서, 반도체 다이들 및 다른 능동 및 수동 요소들과 같은 회로 컴포넌트들이 기판에 고정되고, 통상적으로 솔더 또는 와이어 본딩에 의해 트레이스들에 접속된다. 이것은 회로 제조 및 조립에서 허용되는 동작들의 순서이다.
그러나, 최신의 전자 제품들에서는, 전자 회로들을 강성 및 가요성의 다른 종류의 기판들 상에 집적하려는 요구가 증가하고 있으며, 이는 전통적인 인쇄 회로 기술과 양립하지 못할 수 있다. 예를 들어, 일부 응용들은 플라스틱 포일들, 종이 또는 직물과 같은 가요성 기판들 상에 전자 디바이스들을 실장하고 상호접속할 것을 요구한다. 그러한 기판들에 전통적인 공정들을 적응시키는 것은 어렵고 비용이 많이 들 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 본 발명의 실시예들은 허용되는 동작들의 순서를 반전시킴으로써 이러한 문제를 해결하는데: 먼저 일체형 콘택들을 갖는 전자 컴포넌트를 포함하는 다이가 예를 들어 적절한 접착제에 의해 유전체 기판에 고정된다. 다이를 고정한 후, 전도성 트레이스가 유전체 기판 및 다이의 일체형 콘택들 중 적어도 하나의 일체형 콘택 둘 모두 위에 인쇄되어, 그에 따라 기판 상의 전도성 트레이스와 전자 컴포넌트 사이에 옴 접속을 생성한다. 다른 능동 및 수동 컴포넌트들이 유사한 방식으로 기판에 고정되고 상호접속될 수 있다.
이러한 방식으로 전도성 트레이스들은 다이를 고정하기 전에 어떠한 전도성 재료도 존재하지 않는, 유전체 기판 상의 자리 위에 인쇄될 수 있다. 즉, 개시된 기술들은 트레이스들의 증착 및 트레이스들의 회로 컴포넌트들에 대한 접속 둘 모두를 수행하기 위해 단일 공정 단계만을 필요로 한다. 전도성 트레이스들의 정확한 인쇄를 보장하기 위해, 컴퓨터 비전 시스템과 같은 자동 감지 시스템을 사용하여, 다이가 기판에 고정된 후에 다이의 콘택들의 위치들을 감지할 수 있으며, 이어서 트레이스들의 인쇄가 감지된 위치들로 안내될 수 있다.
개시된 실시예들에서, 전도성 트레이스들은 전도성 재료의 방울들을 유전체 기판 및 다이의 일체형 콘택들 둘 모두 상으로 방출하는 LIFT 공정을 사용하여 인쇄된다. (이러한 실시예들은 다이의 하면이 유전체 기판에 고정되고, 전도성 트레이스가 인쇄되는 일체형 콘택들이 다이들의 상면 또는 측면들에 있다고 가정한다.) 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 금속 방울들의 LIFT 인쇄는 기판과 다이의 상면의 콘택들 사이의 수백 미크론 정도의 큰 높이 갭들을 극복하는 동시에 매우 미세한 트레이스들을 생성할 수 있다. 그러한 트레이스들은 LIFT에 의해 10-20 ㎛ 이하의 선폭들로 인쇄될 수 있으며, 원하는 경우에 (예를 들어, 인쇄후 레이저 처리에 의해) 훨씬 더 좁은 폭들로 트리밍될 수 있다. 또한, 금속들 및 고점도 페이스트들의 LIFT 인쇄는 다공성, 액체 흡수도 및 표면 에너지와 같은 기판 특성들과 비교적 무관하며, 따라서 종이 및 직물과 같은 다공성 흡수성 기판들 상에도 미세한 트레이스들을 높은 정밀도로 인쇄할 수 있다. 이러한 공정은 나중에 기판의 휨 및 신장을 (한계 내에서) 견딜 회로들을 생성하는 데 사용될 수 있다.
그러나, 대안으로 또는 추가로, 일부 응용들에서는, 전도성 재료들의 직접 기록을 위한, 이 분야에 공지된 다른 기술들이 전도성 트레이스들의 적어도 일부를 생성하는 데 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전자 회로 조립을 위한 시스템(20)의 블록도 및 측면도이다. 도시된 예에서, 배치 스테이션(26)은 반도체 다이(24)와 같은 컴포넌트를 회로 기판(22) 상에 배치한다. 배치 스테이션(26)은 예를 들어 로봇 팔(28)이 제어 유닛(32)으로부터의 지시하에 미리 정의된 회로 레이아웃에 따라 기판(22) 상에 컴포넌트들을 배치하는 픽 앤 플레이스 기계(pick-and-place machine)를 포함할 수 있다. 통상적으로, 기판(22)은 팔(28)이 모든 원하는 위치들에 도달할 수 있게 하기 위해 병진 스테이지와 같은 위치설정 조립체(30) 상에 장착된다. 그러나, 배치 스테이션(26)의 동작은 다이(24)가 다이에 후속 접속될 전도성 트레이스들의 인쇄 전에 기판(22) 상에 배치된다는 점에서 이 분야에 공지된 픽 앤 플레이스 기계들과 다르다.
선택적으로, 시스템(20)에서 수행되는 후속 동작들의 정확성을 보장하기 위해, 감지 스테이션(34)은 다이(24)가 기판(22) 상에 배치된 실제 포지션을 검출한다. 감지 스테이션(34)은 예를 들어 기판(22)의 이미지들을 캡처하는 카메라(36)를 포함한다. 제어 유닛(32)은 기판 상의 컴포넌트들의 정확한 포지션들을 확인하기 위해 이러한 이미지들을 처리한다. 감지 스테이션(34)이 개념의 명료화를 위해 도 1에 별개의 유닛으로 도시되지만, 실제로는 그러한 센서들, 예를 들어 카메라(36) 및 감지 기능은 시스템(20) 내의 다른 스테이션들과 통합될 수 있다. 시스템(20) 내의 감지 스테이션(34)의 적용은 이 분야에 공지된 픽 앤 플레이스 도구들의 제한된 정확성뿐만 아니라 조립 공정 중에 가요성 기판의 형상에서 발생할 수 있는 가능한 왜곡들을 극복하는 데 특히 유리하다. 다이(24) 및 다른 컴포넌트들의 포지션들의 정확한 감지는 컴포넌트들이 기판(22)에 고정된 후에 (예를 들어, 20 ㎛ 이하의 폭들을 갖는) 매우 미세한 상호접속 트레이스들의 정확한 인쇄를 가능하게 한다.
더 일반적으로 말하면, 제어 유닛(32)은 다른 회로 컴포넌트들에 관련된 다이들의 실제 포지션들에 따라 인쇄될 트레이스들을 적응시킬 수 있다. 이러한 종류의 적응은 예를 들어 주어진 다이 상에 고밀도의 회로 컴포넌트들 또는 많은 입력/출력 핀들은 물론 좁은 선들이 존재하여 회로의 나머지에 대한 다이의 최종(실제) 포지션을 고려해야 할 때 특히 유용하다. 그러한 경우들에서, 제어 유닛(32)은 전기적 설계 규칙들을 따르고 회로 결함들을 피하도록 트레이스 위치들을 선택한다. 이러한 접근법은 전통적인 제조 공정들을 사용하여 달성할 수 있는 것만큼 큰 또는 훨씬 더 큰 컴포넌트 밀도를 갖는 회로들을 생성하는 데 사용될 수 있다.
기판(22)의 재료 특성들에 따라, 표면 준비 스테이션(38)을 사용하여 기판(22)의 표면을 처리함으로써 그 위의 트레이스들의 접착력을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 표면이 매우 평탄할 때, 표면 준비 스테이션(38)은 표면에 통상적으로 수 미크론 깊이 및 수 미크론의 폭을 갖는 작은 구멍들의 어레이를 생성할 수 있으며, 이는 표면을 거칠게 하고, 후속 LIFT 인쇄 스테이지에서의 표면으로부터의 금속 방울들의 반동을 감소시킬 것이다. 구멍들은 특히 기판(22) 상에 인쇄될 전도성 트레이스들의 자리들에 또는 대안으로 기판(22)의 더 넓은 영역들 위에 형성될 수 있다. 구멍들은 기판(22)의 표면에 예를 들어 레이저에 의해 드릴링되거나 기계적으로 압입될 수 있다.
인쇄 스테이션, 예를 들어 LIFT 스테이션(40)은 다이(24) 상의 콘택 패드들과 옴 접속되는 전도성 트레이스들(56)을 기판(22) 상에 인쇄한다. LIFT 스테이션(40)은 레이저(42)가 펄스형 방사선을 방출하는 광학 조립체(41)를 포함한다. 광학부(optics)(46)는 레이저 빔(48)을 적어도 하나의 도너 필름(52)이 증착된 투명 도너 기판(50) 상에 포커싱한다. 위치설정 조립체(30)는 도너 기판(50)이 억셉터 기판의 상부 표면에 근접하도록 도너 기판(50) 및/또는 회로 기판(22)을 위치설정하며, 도너 필름(52)은 회로 기판에 대면하고, 이들 사이에는 작은 갭(통상적으로 수백 미크론 이내 그리고 아마도 그 이하)이 존재한다. 도 1에서는 위치설정 조립체(30)가 간소화를 위해 회로 기판(22) 아래의 기본 X-Y-Z 스테이지로서 도시되지만, 실제로 LIFT 스테이션(40) 내의 위치설정 조립체(30)는 이 분야의 기술자들에게 명백하듯이 추가로 또는 대안으로 광학 조립체(41)의 도너 기판(50) 및/또는 요소들을 위치설정할 수 있다.
도너 기판(50)은 통상적으로 유리 또는 플라스틱 시트 또는 다른 적절한 투명 재료를 포함하는 반면, 도너 필름(52)은 하나 이상의 순수 금속 및/또는 금속 합금과 같은 적절한 도너 재료를 포함한다. 통상적으로, 도너 필름들의 두께는 수 미크론 이내이다.
광학부(46)는 빔(48)을 포커싱하여 도너 기판(50)의 외부 표면을 통과하고 도너 필름(52) 상에 충돌하게 함으로써, 유체의 방울들(54)이 도너 필름(52)으로부터 방출되고 갭을 가로 질러 비행하여 회로 기판(22) 상에 내려앉게 한다. 유체는 도너 필름(52) 내의 용융된 형태의 재료를 포함하고, 이어서 억셉터 표면 상에서 경화되어 인쇄 패턴에 의해 정의된 형상을 갖는 단단한 조각들을 형성한다. 회전 미러 및/또는 음향-광학 빔 편향기와 같은 스캐너(44)는 제어 유닛(32)의 제어하에 레이저 빔(48)을 스캐닝하여 도너 필름(52) 상의 상이한 스폿들을 조사하며, 따라서 회로 기판(22) 상의 적절한 위치들에 전도성 트레이스들(56)을 생성한다.
레이저(42)는 예를 들어 주파수 배가된 출력을 갖는 펄스형 Nd:YAG 레이저를 포함하며, 이는 펄스 진폭이 제어 유닛(32)에 의해 편리하게 제어될 수 있게 한다. 통상적으로, 제어 유닛(32)은 시스템(20)의 광학 조립체(41), 위치설정 조립체(30) 및 다른 요소들을 제어하고 이들로부터 피드백을 수신하기 위한 적절한 인터페이스들을 갖는 범용 컴퓨터를 포함한다. 본 발명자들은 양호한 LIFT 증착 결과들을 위해서는 최적의 펄스 지속기간이 0.1 ns 내지 1 ns의 범위 내이지만 응용 요구들에 따라서는 더 길거나 더 짧은 펄스들이 사용될 수 있다는 것을 발견하였다. 광학부(46)는 도너 필름(52) 상에 레이저 빔에 의해 형성된 초점의 크기를 조정하기 위해 유사하게 제어 가능하다.
방울들(54)의 크기는 특히 레이저 펄스 에너지, 지속기간 및 초점 크기, 및 도너 필름의 두께에 의해 결정된다. 전술한 PCT 국제 공개 WO 2015/181810은 예를 들어 각각의 레이저 펄스가 도너 필름으로부터 단일의 비교적 큰 방울이 방출되게 하도록 적용될 수 있는 LIFT 기술들 및 파라미터들을 설명한다. 이러한 기술들 및 파라미터들은 LIFT 스테이션(40)에서 유리하게 적용될 수 있는데, 이는 방울들이 정확한 방향성을 갖고서 회로 기판(22)을 향해 방출되어, 방울들의 방출 동안 도너 필름(52)을 억셉터 기판으로부터 적어도 100 ㎛의 거리에 유지하고 원하는 구조들을 정밀하게 생성하는 것이 가능하게 되기 때문이다.
일부 실시예들에서, LIFT 스테이션(40)은 상이한 조성들을 갖는 2개 이상의 상이한 유체의 방울들(54)이 상이한 도너 필름들(52)로부터 방출되게 한다. 예를 들어, 상이한 유체들은 상이한 재료들을 포함하는 (동일한 도너 기판(50) 또는 상이한 도너 기판들 상의) 도너 필름들(52)의 상이한 영역들 상에 충돌하도록 레이저(42)로부터의 빔(48)을 지향시킴으로써 방출될 수 있다. 상이한 유체들은 원하는 트레이스들(56)을 인쇄하기 위해 회로 기판(22)상의 동일한 위치를 향해 그리고/또는 상이한 위치들을 향해 순차적으로 방출될 수 있다.
예를 들어, 중합체 기판들과 같은 소정 유형의 회로 기판들에 대한 트레이스들(56)의 접착력을 향상시키기 위해, 주석 또는 주석 합금과 같은 낮은 용융 온도를 갖는 금속을 포함하는 제1 도너 필름(52)이 트레이스들의 자리들을 따라 초기 접착층을 인쇄하는 데 사용된다. 저온 금속 방울들은 빠르게 식는 동시에 중합체를 국부적으로 용융시키며, 따라서 더 높은 온도 및 에너지를 갖는 후속 레이저 방울들이 쉽게 접착될 층을 형성한다. (이 접착층은 조밀하거나 기판을 완전히 코팅할 필요는 없다. 트레이스(56)의 의도된 영역의 20-30 % 이내를 커버하는 저밀도 접착층이 종종 후속 구조 층을 고정하기에 충분하다.) 이어서, 트레이스의 원하는 치수들, 접속성 및 전도성에 도달하기 위해 구리(및/또는 예를 들어 알루미늄 또는 니켈)와 같은 구조적 금속을 갖는 제2 도너 필름(52)이 접착층 위에 인쇄된다. 전술한 바와 같이, 제어 유닛(32)은, 필요에 따라, 증착된 도너 재료의 볼륨을 원하는 두께로 형성하기 위해, 필름들(52)로부터의 도너 재료를 회로 기판(22) 상의 적절한 위치들에 기록하고 다수의 패스(pass)를 수행하도록 광학 조립체(41)의 스캐너(44) 및 다른 요소들을 제어한다.
도 2a-2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 회로의 생성에서의 연속 스테이지들을 도시하는 개략적인 도면들이다. 도 2a에 도시된 예비 단계로서, 기판(22)은 접착제 층(60)으로 코팅되거나, 대안으로는 LIFT 프로세스에 의해 또한 인쇄될 수 있는 접착제 도트들의 어레이(도시되지 않음)와 같은 적절한 패턴의 접착제로 코팅된다. (접착제의 LIFT 인쇄는 필요할 때 다이(24) 및 다른 회로 컴포넌트들의 상단에 접착제의 도트들을 인쇄하는 데 또한 사용될 수 있다.) 이어서, 다이(24)는 도 2b에 도시된 바와 같이 예를 들어 배치 스테이션(26)에 의해 적소에 고정되며, 다이(24)의 하면은 접착제 층(60) 상에 놓인다. 모든 컴포넌트들이 기판(22) 상에 배치된 후에, 컴포넌트들을 안전하게 적소에 유지하기 위해 접착제 층(60)이 (예를 들어, 자외선 또는 열의 인가에 의해) 경화될 수 있다.
필요할 때, 표면 준비 스테이션(38)은 도 2c에 도시된 바와 같이 기판(22) 상에 트랙들(62)을 준비하며, 그 위에는 트레이스들(56)이 후속적으로 인쇄될 것이다. 전술한 바와 같이, 이러한 준비는 LIFT 스테이션(40)에 의해 인쇄된 방울들을 캡처 및 유지하기에는 본질적으로 충분히 거칠지 않은 재료들에 유리하다. 트랙들(62)은 예를 들어 방울들(54)의 직경의 1-2 배인 직경 및 대략 3-6 ㎛의 깊이를 갖는 얕은 구멍들의 어레이를 포함할 수 있다. 대안으로 또는 추가로, LIFT 스테이션은 전술한 바와 같이 초기 금속 접착층을 생성하도록 동작할 수 있다. 한편, 충분히 다공성인 기판 재료들에 대해서는 LIFT 인쇄 전의 표면 준비가 필요하지 않을 수 있다.
마지막으로, 도 2d에 도시된 바와 같이, 전도성 트레이스(56)가 기판(22) 및 다이(24)의 상면의 일체형 콘택들 둘 모두 위에 LIFT 스테이션(40)에 의해 인쇄된다. 트레이스(56)는 다이의 콘택들과 접속하기 위해 다이(24)의 에지들 위에 형성된다. (이 후자의 단계의 구현의 세부 사항들은 도 4a-4c에 도시된다.) LIFT 스테이션(40)은 전술한 바와 같이 매우 미세한 트레이스들을 인쇄할 수 있지만, 일부 경우들에서는, 동작시에 회로 컴포넌트들로부터 열을 제거하기 위해 더 넓고/넓거나 더 두꺼운 전도성 트레이스들이 인쇄될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판(22) 상에 조립된 실제 다이(24)의 주사 전자 현미경(SEM)에 의해 캡처된 이미지이다. 이 예에서 기판(22)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 포일이며, 다이(24)는 표면 실장 패키지 내의 LED를 포함한다. 트레이스들(56)은 LIFT 방울들로부터 형성되고, 다이의 "견부들" 위로 연장되어 상면의 콘택 패드들에 도달한다. 다이(24)의 대향하는 면들 상의 트레이스들(56) 사이의 적절한 전압의 인가는 LED가 발광하게 했다.
도 4a-4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이(24)의 상면 상의 콘택들(70)에 대한 회로 트레이스의 접속에서의 연속적인 스테이지들을 도시하는 기판(22) 상의 다이(24)의 개략적인 측면도들이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 다이(24)의 초기 배치 후, LIFT 스테이션(40)은 도 4b-4c에 도시된 바와 같이 연속적인 방울들(72)을 증착하여 콘택(70)까지 기둥(74)을 생성한다. 본 발명자들은 단일 방울들(54)의 파일(pile)들을 형성함으로써 이러한 종류의 기둥들을 10-20 ㎛의 폭들로 생성하였다. 기둥(74)의 높이가 증가함에 따라, 위치설정 조립체(30)는 도너 및 억셉터 기판들 사이에 충분한 갭을 유지하기 위해 도너 기판(50)을 회로 기판으로부터 멀어지게 이동시킬 수 있다.
기둥과 다이 콘택들 사이에 갭들이 열리는 것을 방지하기 위해 기둥에 (3 도 정도의) 작은 경사를 형성하는 것이 바람직하다. 추가로 또는 대안으로, 방울들이 기판(22)의 표면에 대해 비스듬한(수직이 아닌) 각도로 도너 필름(52)으로부터 방출되는 각진 LIFT 인쇄를 적용하여, 기둥과 다이 사이의 갭 없이 다이의 측면들을 금속으로 등각적으로(conformally) 코팅하고, 따라서 트레이스들 및 접속들의 기계적 강건성을 향상시킬 수 있다. 이와 관련하여 사용될 수 있는 각진 LIFT 인쇄 기술들은 예를 들어 본 명세서에 개시내용이 참고로 통합된 PCT 국제 공개 WO 2016/116921에 설명되어 있다.
기둥(74)은 이 분야에 알려진 전자 디바이스들에서 이러한 종류의 콘택을 생성하는 데 사용되는 와이어 본딩을 대신한다. 이러한 콘택들을 생성하기 위해 LIFT를 사용하는 것은 기계적 충격에 대한 디바이스의 강건성을 향상시킬 뿐만 아니라, 전체 크기도 줄일 수 있는데, 이는 와이어 본드들의 접속을 위해 컴포넌트들 주위에 공간을 남길 필요가 없기 때문이다.
도면들에 도시되고 위에 설명된 예들은 특정 유형의 컴포넌트들과 관련되지만, 본 발명의 원리들은 다음을 포함하는(그러나 이에 한정되지 않는) 다양한 상이한 종류의 컴포넌트들을 포함하는 회로들을 조립하는 데 적용될 수 있다.
따라서, 전술한 실시예들은 예로서 인용되며, 본 발명은 특별히 도시되고 위에서 설명된 것으로 한정되지 않음을 이해할 것이다. 오히려, 본 발명의 범위는 전술한 다양한 특징들의 조합들 및 하위 조합들뿐만 아니라 전술한 설명을 읽을 때 이 분야의 기술자들에게 떠오르고 종래 기술에서 개시되지 않은 변형들 및 변경들도 포함한다.
Claims (30)
- 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법으로서,
일체형 콘택들을 갖는 전자 컴포넌트를 포함하는 다이를 유전체 기판에 고정하는 단계 ; 및
상기 다이를 고정한 후, 상기 유전체 기판 상의 전도성 트레이스와 상기 전자 컴포넌트 사이에 옴 접속을 생성하기 위해 상기 유전체 기판 및 상기 일체형 콘택들 중 적어도 하나의 일체형 콘택 둘 모두 위에 상기 전도성 트레이스를 인쇄하는 단계를 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 전도성 트레이스를 인쇄하는 단계는 상기 유전체 기판 및 상기 일체형 콘택들 중 상기 적어도 하나의 일체형 콘택 둘 모두 상으로 전도성 재료의 방울들을 방출하는 단계를 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법. - 제2항에 있어서,
상기 방울들을 방출하는 단계는 상기 전도성 재료를 포함하는 도너 필름 상에 충돌하도록 펄스형 레이저 빔을 지향시키는 단계 ― 이에 따라 상기 방울들은 레이저 유도 순방향 전사(LIFT)에 의해 방출됨 ― 를 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법. - 제3항에 있어서,
상기 방울들을 방출하는 단계는 상기 방울들이 기판의 표면에 대해 비스듬한 각도로 상기 다이를 향해 방출되도록 상기 펄스형 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법. - 제3항에 있어서,
상기 방울들을 방출하는 단계는 상기 전도성 트레이스의 트랙을 따라 상기 유전체 기판 상에 접착층을 형성하기 위해 제1 용융 온도를 갖는 제1 금속을 포함하는 제1 도너 필름 상에 충돌하도록 상기 펄스형 레이저 빔을 지향시킨 후에, 상기 접착층 위에 상기 전도성 트레이스를 형성하기 위해 상기 제1 용융 온도보다 높은 제2 용융 온도를 갖는 제2 금속을 포함하는 제2 도너 필름 상에 충돌하도록 상기 펄스형 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법. - 제2항에 있어서,
상기 다이는 대향하는 상면 및 하면을 갖고, 상기 하면은 상기 유전체 기판에 고정되며, 상기 전도성 트레이스가 인쇄되는 상기 일체형 콘택들 중 상기 적어도 하나의 일체형 콘택은 상기 상면 상에 있는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법. - 제6항에 있어서,
상기 방울들을 방출하는 단계는 상기 전자 컴포넌트 옆에 상기 유전체 기판으로부터 상기 일체형 콘택들 중 상기 적어도 하나의 일체형 콘택에 이르는 상기 방출된 방울들로부터의 기둥을 형성하는 단계를 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법. - 제2항에 있어서,
상기 다이는 상면과 하면 사이에 측면들을 갖는 대향하는 상기 상면 및 상기 하면을 갖고, 상기 하면은 상기 유전체 기판에 고정되며, 상기 전도성 트레이스가 인쇄되는 상기 일체형 콘택들 중 상기 적어도 하나의 일체형 콘택은 상기 측면들 중 하나의 측면 상에 있는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법. - 제2항에 있어서,
상기 방울들을 방출하기 전에, 상기 유전체 기판으로부터의 상기 방울들의 반동을 방지하기 위해 상기 유전체 기판에 구멍들의 어레이를 형성하는 단계를 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
레이저 유도 순방향 전사(LIFT)에 의해 상기 유전체 기판 상으로 접착성 재료의 방울들을 방출함으로써 상기 유전체 기판 상에 접착제 도트(dot)들을 인쇄하는 단계를 포함하며, 상기 다이를 고정하는 단계는 상기 접착제 도트들 상에 상기 다이를 배치하는 단계를 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 다이는 대향하는 상면 및 하면을 갖고, 상기 하면은 상기 유전체 기판에 고정되며,
상기 방법은 상기 다이가 상기 유전체 기판에 고정된 후에 레이저 유도 순방향 전사(LIFT)에 의해 상기 다이의 상기 상면 상으로 접착성 재료의 방울들을 방출하는 단계를 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 전도성 트레이스는 상기 다이를 고정하기 전에 어떠한 전도성 재료도 존재하지 않는, 상기 유전체 기판 상의 자리(locus) 위에 인쇄되는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법. - 제12항에 있어서,
상기 전도성 트레이스를 인쇄하는 단계는 상기 일체형 콘택들 중 상기 적어도 하나의 일체형 콘택의 위치를 자동으로 감지하고, 상기 자동 감지된 위치에 응답하여 상기 전도성 트레이스를 인쇄하는 단계를 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
상기 유전체 기판은 가요성 포일을 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법. - 제14항에 있어서,
상기 가요성 포일은 중합체들, 종이들 및 직물들로 구성된 재료들의 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 방법. - 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템으로서,
일체형 콘택들을 갖는 전자 컴포넌트를 포함하는 다이를 유전체 기판에 고정하도록 구성되는 배치 스테이션; 및
상기 기판 상의 전도성 트레이스와 상기 전자 컴포넌트 사이에 옴 접속을 생성하기 위해 상기 유전체 기판 및 상기 기판에 고정된 상기 다이의 상기 일체형 콘택들 중 적어도 하나의 일체형 콘택 둘 모두 위에 전도성 트레이스를 인쇄하도록 구성되는 인쇄 스테이션을 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 인쇄 스테이션은 상기 유전체 기판 및 상기 일체형 콘택들 중 상기 적어도 하나의 일체형 콘택 둘 모두 상으로 전도성 재료의 방울들을 방출함으로써 상기 도전성 트레이스를 인쇄하도록 구성되는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 인쇄 스테이션은 상기 전도성 재료를 포함하는 도너 필름 상에 충돌하도록 펄스형 레이저 빔을 방출하여 상기 방울들이 레이저 유도 순방향 전사(LIFT)에 의해 방출되도록 구성되는 레이저를 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템. - 제18항에 있어서,
상기 인쇄 스테이션은 상기 방울들이 상기 유전성 기판의 표면에 대해 비스듬한 각도로 상기 다이를 향해 방출되도록 상기 펄스형 레이저 빔을 지향시키도록 구성되는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템. - 제18항에 있어서,
상기 인쇄 스테이션은 상기 전도성 트레이스의 트랙을 따라 상기 유전체 기판 상에 접착층을 형성하기 위해 제1 용융 온도를 갖는 제1 금속을 포함하는 제1 도너 필름 상에 충돌하도록 상기 펄스형 레이저 빔을 지향시킨 후에, 상기 접착층 위에 상기 전도성 트레이스를 형성하기 위해 상기 제1 용융 온도보다 높은 제2 용융 온도를 갖는 제2 금속을 포함하는 제2 도너 필름 상에 충돌하도록 상기 펄스형 레이저 빔을 지향시키도록 구성되는 광학부를 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 다이는 대향하는 상면 및 하면을 갖고, 상기 하면은 상기 유전체 기판에 고정되며, 상기 전도성 트레이스가 인쇄되는 상기 일체형 콘택들 중 상기 적어도 하나의 일체형 콘택은 상기 상면 상에 있는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템. - 제21항에 있어서,
상기 인쇄 스테이션은 상기 전자 컴포넌트 옆에 상기 유전체 기판으로부터 상기 일체형 콘택들 중 상기 적어도 하나의 일체형 콘택에 이르는 상기 방출된 방울들로부터의 기둥을 형성하도록 구성되는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 다이는 상면과 하면 사이에 측면들을 갖는 대향하는 상기 상면 및 상기 하면을 갖고, 상기 하면은 상기 유전체 기판에 고정되며, 상기 전도성 트레이스가 인쇄되는 상기 일체형 콘택들 중 상기 적어도 하나의 일체형 콘택은 상기 측면들 중 하나의 측면 상에 있는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 방울들을 방출하기 전에 상기 유전체 기판으로부터의 상기 방울들의 반동을 방지하기 위해 상기 유전체 기판에 구멍들의 어레이를 형성하도록 구성되는 표면 준비 스테이션을 포함하는 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 인쇄 스테이션은 레이저 유도 순방향 전사(LIFT)에 의해 상기 유전체 기판 상으로 접착성 재료의 방울들을 방출함으로써 상기 유전체 기판 상에 접착제 도트들을 인쇄하도록 구성되며, 상기 배치 스테이션은 상기 접착제 도트들 상에 상기 다이를 배치하도록 구성되는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 다이는 대향하는 상면 및 하면을 갖고, 상기 하면은 상기 유전체 기판에 고정되며, 상기 인쇄 스테이션은 상기 다이가 상기 유전체 기판에 고정된 후에 레이저 유도 순방향 전사(LIFT)에 의해 상기 다이의 상기 상면 상으로 접착성 재료의 방울들을 방출하도록 구성되는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 전도성 트레이스는 상기 다이를 고정하기 전에 어떠한 전도성 재료도 존재하지 않는, 상기 유전체 기판 상의 자리 위에 인쇄되는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템. - 제27항에 있어서,
상기 일체형 콘택들 중 상기 적어도 하나의 일체형 콘택의 위치를 자동으로 감지하도록 구성되는 센서를 포함하고, 상기 인쇄 스테이션은 상기 자동 감지된 위치에 응답하여 상기 전도성 트레이스를 인쇄하도록 구성되는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 유전체 기판은 가요성 포일을 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템. - 제29항에 있어서,
상기 가요성 포일은 중합체들, 종이들 및 직물들로 구성된 재료들의 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는, 전자 디바이스들을 생성하기 위한 시스템.
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