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由思想來(lái)控制機器的能力是人們長(cháng)久以來(lái)的夢(mèng)想；尤其是為了癱瘓的那些人。近年來(lái)，工藝的進(jìn)步加速了人腦機器界面（ BMI ）的進(jìn)展。針對生物醫學(xué)的應用，杜克大學(xué)的研究者已經(jīng)成功地利用神經(jīng)探針開(kāi)發(fā)出訊號處理的ASIC，以及無(wú)線(xiàn)傳輸動(dòng)力與信息的電子電路系統。再下一步，就是開(kāi)發(fā)組件的封裝技術(shù)。 然而，這些組件將如何相互聯(lián)接呢？ 尺寸和可靠性對生物醫學(xué)用的植入物而言，是最重要的兩個(gè)要素。 微電子業(yè)的兩個(gè)封裝技術(shù)（倒裝芯片接合和柔性載板）正好適用于這個(gè)應用。倒裝芯片接合技術(shù)已經(jīng)發(fā)展30多年了。此一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是體積小、接線(xiàn)密度高，而且因為引腳短而電性得以改善4。倒裝芯片接合技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢，是能夠將多個(gè)不同尺寸的芯片封裝在同一片載板上，構成多芯片模塊。這種封裝方式能免除又大又不可靠的連接器。 此外，由聚亞酰胺（polyimide）做成的柔性載板能夠彎曲和折迭，可以充分利用空間做成體積小的組件。但因為聚亞酰胺材料僅適用于低溫接合技術(shù)（制程溫度低于攝氏200度），所以必須使用熱硬化黏膠，而非焊錫來(lái)提供機械性和電性的聯(lián)結。在這個(gè)研究中，我們使用低成本的柱形金凸塊技術(shù)，而非其它類(lèi)似應用中所采用的錫鉛凸塊技術(shù)。 為了發(fā)展適用于生物醫學(xué)應用的制程，我們設計并以聚亞酰胺為基材制造測試芯片。這些測試芯片在打上柱形金凸塊后，被用來(lái)驗證制程。我們分別測試了導電和絕緣的熱硬化黏膠，并在做過(guò)溫度循環(huán)測試后，測量接觸電阻以*量產(chǎn)品的可靠性。 接合技術(shù) 我們希望能夠使用柱形金凸塊技術(shù)和熱硬化黏膠，發(fā)展一個(gè)可靠的制程，將切割后的芯片接合在柔性載板上。在這個(gè)研究中，我們測試了兩個(gè)接合的方法；第一個(gè)方法使用絕緣的熱硬化黏膠、第二個(gè)方法使用導電黏膠和絕緣的底部填充膠。每一個(gè)測試組件都由測試電路載板和仿真芯片（dummychip）所組成。管腳陣列封裝的載板也被設計在同一片聚亞酰胺載板上，以便于未來(lái)用于測試神經(jīng)訊號放大器芯片。 仿真芯片的制備：為了使軟性的仿真芯片能像硅芯片一樣硬，我們得在這個(gè)軟性的仿真芯片背部加上一個(gè)加強性構件�？墒怯奢d板制造商提供的加強性構件太軟了，所以我們用一小塊1毫米厚的顯微鏡用的載玻片取代制造商所提供的加強性構件。柱形金凸塊：測試中所使用的仿真芯片和芯片的柱形金凸塊都是用手動(dòng)金球焊線(xiàn)機（Kulicke & Soffa抯 4524AD）做出來(lái)的。 絕緣的熱硬化黏膠接合：在絕緣的熱硬化黏膠接合方法中，長(cháng)了柱形金凸塊的芯片和載板用絕緣的熱硬化黏膠接合。芯片和載板的對準和接合是用倒裝芯片接合機（SUSS Microtec抯 FC150）。接合的步驟如下: 1.將長(cháng)了柱形金凸塊的芯片和載板裝載到倒裝芯片接合機。 2.芯片和載板由倒裝芯片接合機對準。 3.將絕緣的熱硬化黏膠涂布在載板上。 4.依表2與圖3的條件將芯片與載板接合。 5.黏膠在接合的壓力下被熱硬化， 然后在釋壓前冷卻下來(lái)。 導電黏膠的接合技術(shù) 在導電黏膠的接合方法中， 先將長(cháng)好柱形金凸塊的芯片放入銀膠的薄層。 再把這個(gè)沾了銀膠的芯片用絕緣的熱硬化黏膠與載板接合。芯片和載板的對準和接合也是使用倒裝芯片接合機。接合的步驟如下： 1. 將長(cháng)了柱形金凸塊的芯片裝載到倒裝芯片接合機。 2. 將載玻片放在放載板的吸盤(pán)上。 3. 將薄薄的一層導電銀膠在涂布在載玻片上。 注意: 將導電銀膠稀釋10%以達成較好的沾膠效果。 4. 用倒裝芯片接合機將導電銀膠延展成30 微米厚。 5. 將長(cháng)了柱形金凸塊的芯片壓入30 微米厚的導電銀膠層。 6. 取走載玻片，然后放入載板。 7. 在載板上涂布絕緣的熱硬化黏膠。 8. 將芯片與載板對準，然后透過(guò)黏膠與載板接合。 9. 黏膠在接合的壓力被熱硬化， 然后在釋壓前冷卻下來(lái)。 溫度循環(huán)測試：溫度循環(huán)測試經(jīng)常被用來(lái)驗證接合點(diǎn)的可靠度。在溫度循環(huán)測試期間，每30秒就記錄一次溫度和仿真芯片上一對凸塊間的電阻。 溫度循環(huán)測試的溫度變化條件設定如下: 1. 保持在攝氏85度，10 分鐘。 2. 以最快的速度降溫到攝氏零下10度 。 3. 保持在攝氏零下10度，10 分鐘。 4. 以最快的速度升溫到攝氏85度。 5. 重復這個(gè)溫度變化周期 。 將仿真芯片從聚亞酰胺基材上切割下來(lái)，黏合載玻片以加強軟性仿真芯片的結構強度，打上柱形金凸塊，然后以前述的兩種方法（絕緣的熱硬化黏膠接合技術(shù)、導電的熱硬化黏膠接合技術(shù)）將仿真芯片與柔性載板接合起來(lái)。由于這個(gè)做在聚亞酰胺基材上的仿真芯片是半透明的，我們能夠以目檢檢視接合的界面。柱形金凸塊看起來(lái)是很平均的被壓縮，這表示平面度控制得很好。對準的精確度控制在 3 微米之內�？梢钥吹皆陴つz層之內有一些空氣氣泡，但是，這些空氣氣泡看來(lái)并不會(huì )影響效能。 使用柱形金凸塊和黏膠的接合技術(shù)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，這個(gè)方法適用于已切割的芯片。 實(shí)際上，使用軟性的仿真芯片作為測試組件，是一個(gè)發(fā)展接合技術(shù)的較廉價(jià)且實(shí)際的方法。而半透明的測試組件更是使用聚亞酰胺做為基材時(shí)所未預料到好處。 由于測試組件是半透明的，我們可以輕易的使用光學(xué)微鏡來(lái)檢查接合的質(zhì)量。 使用絕緣的熱硬化黏膠接合技術(shù)，制程步驟較為簡(jiǎn)單，并且不需要清洗步驟與額外的底部填充膠。在導電黏膠的接合方法中有幾個(gè)步驟需要非常小心的控制，尤其是涂布銀膠與沾膠。此外，為了機械強度的考慮，需要增加涂底部填充膠的步驟。這兩個(gè)方法的共通缺點(diǎn)就是黏膠固化時(shí)間（10分鐘）太長(cháng)；就研究而言，這是可接受的。然而，就量產(chǎn)而言，一種固化時(shí)間更短的黏膠是有必要的。我們相信黏膠和底部填充膠被固化時(shí)，能將芯片和載板拉緊，因而強化了接合的質(zhì)量。在溫度循環(huán)測試中， 絕緣的熱硬化黏膠接合技術(shù)的平均電阻，符合我們的預期；這個(gè)結果也和其它單位的結果相當。使用絕緣的熱硬化黏膠接合技術(shù)，在柔性載板做倒裝芯片接合所制備的組件與商業(yè)化生產(chǎn)的陶瓷管腳陣列封裝組件，在電性上的表現是一致的。 此外， 此一技術(shù)還有體積小與能適用于不同形狀的優(yōu)勢 。 為了以倒裝芯片封裝將神經(jīng)訊號放大器的ASICS芯片接合上柔性載板，我們開(kāi)發(fā)并*估了兩種接合方法，并用制造于聚亞酰胺基材上的仿真芯片做制程的開(kāi)發(fā)與測試�；谥瞥毯�(jiǎn)單與可靠性佳的考慮，我們選用絕緣的熱硬化黏膠接合技術(shù)與柱形金凸塊技術(shù)。我們也用這個(gè)方法將神經(jīng)訊號放大器的ASICS芯片接合上管腳陣列封裝載板。第一個(gè)試做就產(chǎn)出了一個(gè) 100% 功能良好的產(chǎn)品。 |
