Технология создания плоских микромодулей для приборов бесконтактной идентификации

Актуальность работы.

Новые технологии для производства приборов и систем бесконтактной идентификации (RFID), получившие в настоящее время самое широкое распространение, являются весьма востребованными.

По сравнению с появившимися ранее картами со штриховым кодированием, магнитными картами, контактными картами, дистанционные идентификаторы технологии RFID имеют ряд существенных преимуществ. Идентификация производится по цифровому коду, который подается специализированной микросхемой, соединенной с антенной в единой конструкции идентификатора.

Конструктивно идентификаторы могут быть вмонтированы в любой предмет. В системах контроля доступа наряду с пластиковыми картами широко применяются брелоки, браслеты и т. д. Характерным для всех конструктивных исполнений является необходимость как минимум двух технологических процессов: как микромонтажа самой интегральной схемы, так и микромонтажа антенного контура, что делает процесс трудоемким. Кроме того, для более широкого использования идентификатора с появлением новых объектов применения, особенно в листовые материалы — книги, бумажные листы электронного паспорта и т. п., требуется обеспечение плоскостности микромодулей идентификаторов, когда толщина микромодуля сопоставима с толщиной кристалла. При этом требуемой новой технологией должна быть обеспечена и гибкость конструкции, допускающей перегибы при эксплуатации.

Существующие известные технологии, направленные на создание планарных конструкции бесконтактных идентификаторов посредством проволочного монтажа кристалла, либо монтажа кристалла «лицом» вниз (flip-chip), не учитывают многие конструктивно-технологические факторы, обеспечивающие как прочность микросоединенин кристалла с антенной, так и планаризацию модуля в целом.

При проволочном монтаже микросхема и антенна, как правило, расположены на двух противоположных сторонах подложки модуля. Такое решение требует наличия дополнительных соединительных проводов для обеспечения коммутации кристалла ИС с антенной, размещенных на противоположных сторонах подложки, тем самым, усложняя конструкцию, увеличивая трудоемкость изготовления и снижая прочность модуля.

Монтаж методом flip-chip сводиться к двум основным конструктивно-технологическим вариантам: с использованием проводящих клеев либо пайкой. В обоих случаях требуются дополнительные технологические операции по монтажу коммутационного «мостика» для формирования антенного контура, что приводит к увеличению трудоемкости и количества монтажных точек на создание одного сигнального канала. Кроме того, имеют место такие недостатки как: относительно большие габариты модуля, пониженная гибкость и увеличенная напряженность конструкции вследствие использования разнородных материалов, особенно в микросоединении.

Поэтому появляются требования по обеспечению унифицирования используемых материалов для микроконтактирования и снижение количества электрических микроконтактов для реализации одного сигнального канала. При этом новая технология должна обеспечивать и требования по минимизации напряженно-деформированного состояния (НДС) материалов прибора для повышения ресурса эксплуатации.

Таким образом, существующие конструктивно-технологические решения не обеспечивают выполнение современных требований по реализации плоских структур микромодулей для приборов бесконтактной идентификации.

Решение может быть получено за счет разработки новых технологий на основе использования бескорпусных идентификационных микросхем и тонких гибких полимерных плат-антенн.

Наиболее оптимальным решением является создание идентификатора в виде совмещенной микросборки плоского идентификационного микромодуля (бескорпусная микросхема — гибкая плата-антенна).

Плоские идентификационные микромодули, изготовленные по предлагаемому конструктивно-технологическому варианту, могли бы характеризоваться высокой технологичностью и возможностью дальнейшей миниатюризации RFID приборов.

Именно поэтому, тема диссертации, посвященная разработке новой комплексной совмещенной технологии изготовления плоских микромодулей для приборов бесконтактной идентификации на основе конструктивно-технологических принципов прецизионного монтажа бескорпусных микросхем и плоских плат-антенн является весьма актуальной.

Предмет и объект исследования диссертации.

Объектом исследования являются микромодули для приборов бесконтактной идентификации.

Предметом исследования диссертации являются проблемы, связанные с разработкой новых конструкторско-технологических принципов создания новой технологии изготовления плоских идентификационных микромодулей модулей на полиимидной пленке, наиболее полно отвечающих требованиям прецизионного монтажа современных бесконтактных идентификаторов.

Целью работы является исследование и разработка комплексной технологии изготовления плоских идентификационных микромодулей на полиимидной пленке для перспективных изделий бесконтактной идентификации.

Для реализации цели диссертации автором определены и сформулированы следующие основные задачи:

— обоснование нового конструктивно-технологического решения создание плоских идентификационных микромодулей на полиимидной пленке, наиболее полно отвечающих требованиям микроминиатюризации бесконтактных идентификаторов;

— исследование и разработка физико-технологических принципов создания полиимидных плат-антенн с монтажными выводами, обеспечивающими возможность микроконтактирования с контактными площадками утоненного кристалла бескорпусной микросхемы, при одновременном обеспечении формирования антенного контура;

— моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов микросоединения плоского вывода платы-антенны к контактной площадке бескорпусной микросхемы для обеспечения повышенной устойчивости к термическим воздействиям (дестабилизирующим факторам);

— разработка новой комплексной технологии изготовления плоских микромодулей бесконтактной идентификации.

Научная новизна работы.

1. Разработана технология плоских полиимидных идентификационных микромодулей для совмещенного микромонтажа антенны и бескорпусной микросхемы, основанная на новом конструктивно-технологическом решении, обеспечивающем планаризацию микромодуля, сопоставимого по толщине с толщиной микросхемы, за счет снижения высоты микросоединений над кристаллом не менее, чем в 3 раза по сравнению с известными техническими решениями.

2. Установлены оптимальные технологические параметры процесса ультразвуковой сварки плоских выводов микромодулей при совмещенном микромонтаже на утоненных кристаллах кремния.

3. Расчетным путем получена зависимость и экспериментально подтверждены новые конструктивно-технологические ограничения на микросоединение плоского микромодуля. Показано, что расстояние от сварной точки до полиимидной рамки является критическим для прочности и определяется толщинами слоев микросоединения и материалом вывода.

4. Установлено влияние конструктивно-технологических параметров: диаметра сварной точки, расстояния от сварной точки до полиимидной рамки, материала защитного покрытия, толщины кристалла кремния на величину остаточных термомеханических напряжений микросварного соединения. Выявлено, что наиболее ответственным элементом микросоединения является л кристалл кремния. При использовании жестких герметиков (Е= 5,9−10, МПа) толщина кристалла должна быть не менее 100 мкм, так как возможно его хрупкое разрушение при действии напряжений растяжения.

Новизна полученных результатов подтверждена патентом Российской Федерации на изобретение.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе результатов проведенных исследований:

— разработана новая технология изготовления плоских микромодулей на полиимидной пленке для приборов бесконтактной идентификации с реализацией новой конструкции, обеспечивающей повышение планаризации микромодуля, сопоставимую с толщиной кристалла.

— разработка технологии изготовления плоских микромодулей выполнена комплексно: как технологического процесса микроконтактирования балочных выводов платы-антенны, так и технологического процесса защиты с обеспечением минимизации термомеханических напряжений.

Практическое использование результатов работы определено тем, что: — технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание ряда изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Акты об использовании результатов диссертации оформлены на таких предприятиях, как ОАО «Завод Компонент» (г. Зеленоград) при сборке микросхем в бескорпусном исполнении на гибком носителе, включая нанесение защитного покрытия, а так же ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград) при отработке выпуска серийных бесконтактных идентификаторов;

— результаты диссертации используются в учебном процессе МИЭТ при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 551 100 «Проектирование и технология электронных средств» в лекционном курсе по дисциплине «Компьютерно-интегрированные технологии монтажа и сборки ЭВС», а также в лабораторной работе «Технологические процессы сборки и монтажа бескорпусных полупроводниковых БИС» практикума, разработанного в рамках учебно-методического комплекса по курсу «Конструктивно-технологические основы сборки электронных средств» при выполнении инновационной образовательной программы «Современное профессиональное образование для российской инновационной системы в области электроники», выполняемой МИЭТ-ом как победителем конкурса «Приоритетные национальные проекты «Образование».

Методики исследований и достоверность результатов Методики исследований базируются на теоретических физико-химических основах материаловедения и механики твердых тел, математическом моделировании, в экспериментах использована точная исследовательская аппаратура.

Достоверность основных результатов подтверждается большим объемом и комплексностью проведенных исследований, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными испытаниями промышленных образцов, обсуждениями на научно-технических конференциях и положительной экспертизой заявки на изобретение.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 9 научно-технических конференциях:

1. Микроэлектроника и информатика — 2004. 11-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград,.

2004 г.

2. Микроэлектроника и информатика — 2005. 12-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2005 г.

3. Электроника и информатика — 2005. V Международная научно-техническая конференция, Москва, Зеленоград, 2005 г.

4. Микроэлектроника и информатика — 2006. 13-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2006 г.

5. 10-я международная научная конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» ПЭМ-2006, пос. Дивноморское, Краснодарский край, 2006 г.

6. Микроэлектроника и информатика — 2007. 14-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2007 г.

7. VIII ВНТК «Современные промышленные технологии», Всероссийская научнотехническая конференция. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр «Диалог», 2007 г.

8. Микроэлектроника и информатика — 2008. 15-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2008 г.

9. XII ВНТК «Современные промышленные технологии». Всероссийская научнотехническая конференция. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр «Диалог», 2008 г.

Публикации.

Основные результаты диссертации изложены в 14 печатных работах, в том числе: в 4 статьях, 9 тезисах докладов на научно-технических конференциях и 1 патенте Российской Федерации на изобретение.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, содержащих 48 рисунков и 12 таблиц, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы — 132 страницы.

Основные результаты работы:

1. Проведены научные и технические исследования, на основе которых разработана технология плоских полиимидных идентификационных микромодулей для совмещенного микромонтажа антенны и бескорпусной микросхемы, основанная на новом конструктивно-технологическом решении, обеспечивающим планаризацию микромодуля, — сопоставимого по толщине с толщиной микросхемы, за счет снижения высоты микросоединений над кристаллом не менее, чем в 3 раза по сравнению с известными техническими решениями.

2. На основе физико-технологических исследований определены оптимальные технологические параметры процесса ультразвуковой микросварки плоских выводов платы-антенны к контактным площадкам утоненных до 190 мкм кристаллов кремния бескорпусной микросхемы для совмещенного микромонтажа плоских микромодулей бесконтактной идентификации. Стабильная прочность сварных микросоединений обеспечивается в диапазоне параметров ультразвуковой микросварки в зависимости от диаметра инструмента: длительность импульса от 100 до 200 мсмощность УЗК от 0,9 до 1,5 Втусилие нагружения от 0,3 до 0,6 Н.

3. Расчетным путем получена зависимость и экспериментально подтверждены новые — конструктивно-технологические ограничения на микросоединение плоского микромодуля. Показано, что расстояние от сварной точки до полиимидной рамки является критическим для прочности и определяется толщинами слоев микросоединения и материалом вывода.

4. Получены результаты исследований влияния конструктивно-технологических параметров (диаметра сварного соединения, зазора между сварным соединением и полиимидной пленкой, материала защитного покрытия) на величину остаточных термомеханических напряжений материалов сварного соединения. Установлено, что наиболее ответственным элементом микросоединения является кристалл кремния, так как возможно его хрупкое разрушение при действии напряжений растяжения. Поэтому при использовании жестких герметиков с модулем упругости Е выше 5,9−103 МПа толщина кристалла кремния должна быть не менее 100 мкм, что принципиально важно при создании планарных конструкций идентификационных микромодулей.

5. Разработаны и исследованы тестовые структуры для определения стабильности электрических параметров и прочности микросоединений монтажных контактных площадок идентификационного кристалла с плоскими выводами гибкой платы-антенны. Определено, что сопротивление микросоединения плоского вывода с контактной площадкой кристалла находится в пределах 0,04 — 0,06 Омотношение сопротивлений микросоединений до испытаний и после испытаний R/Rucx, близко к единице, что характеризует хорошее качество микросоединений.

6. На основе разработанной технологии изготовлены и испытаны действующие образцы плоских микромодулей, реализованных на платах-антеннах толщиной 50 мкм. Проведенные испытания показали, что микромодули характеризуются высокой стабильностью. Основные технические показатели таких плоских идентификационных микромодулей: диапазон рабочих частот, МГц — 13,56 ±5%- максимальная дальности считывания, мм — (80±2) — максимальный габаритный размер, мм • мм — 28×30- количество сварных микросоединений, шт. — 3- ширина балочных выводов, мм — 0,085- сопротивление микросоединения, Ом — не более 0,06.

7. Технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание ряда изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Акты об использовании результатов диссертации оформлены на таких предприятиях, как ОАО «Завод Компонент» (г. Зеленоград) при сборке микросхем в бескорпусиом исполнении на гибком носителе, включая нанесение защитного покрытия, а так же ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград) при отработке выпуска серийных бесконтактных идентификаторов.

8. Работа выполнялась в обеспечение инновационной образовательной программы «Современное профессиональное образование для российской инновационной системы в области электроники», выполняемой МИЭТ-ом как победителем конкурса «Приоритетные национальные проекты «Образование» в рамках Центра формирования компетенций «Микросистемная техника и технология электронных средств».

9. Результаты диссертации используются в учебном процессе МИЭТ при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 551 100 «Проектирование и технология электронных средств» в лекционном курсе по дисциплине «Компьютерно-интегрированные технологии монтажа и сборки ЭВС», а также в лабораторной работе «Технологические процессы сборки и монтажа бескорпусных полупроводниковых БИС» практикума, разработанного в рамках учебно-методического комплекса по курсу «Конструктивно-технологические основы сборки электронных средств» при выполнении инновационной образовательной программы.

Заключение

.

Новые технологии для производства приборов и систем бесконтактной идентификации, являются весьма востребованными. Объективными конструктивно-технологическими причинами этого являются требования микроминиатюризации и обеспечения плоскостности микромодулей идентификаторов, когда толщина микромодуля сопоставима с толщиной кристалла. В тоже время новой технологией должна быть обеспечена и гибкость конструкции, допускающей перегибы при эксплуатации. При этом новая технология должна обеспечивать и требования по минимизации напряженно-деформированного состояния (НДС) материалов прибора для повышения ресурса эксплуатации. Для повышения эксплуатационной стойкости весьма важным является и требования по обеспечению унифицирования используемых материалов для микроконтактирования и снижению количества электрических микроконтактов.

Современные тенденции микроминиатюризации приборов и систем бесконтактной идентификации, показывают, что эффективность решения этого вопроса во многом определяется разработкой новых технологий компактного микромонтажа. Показано, что актуальным и перспективным является монтаж бескорпусных микросхем с использованием плоских плат-антенн. Наиболее оптимальным решением в этом направлении представляется использование для плат-антенн гибкой полиимидной пленки.

В современных условиях требуется новая технология, комплексно решающая проблемы, связанные с изготовлением плоских микромодулей для приборов бесконтактной идентификации, обеспечивающая, при этом, унифицирование используемых материалов.

В связи с этим потребовались поисковые работы, и на основе комплекса исследований в рамках данной диссертации вышеотмеченные проблемы нашли свои решения, на основе которых и разработана новая технология изготовления плоских полиимидных идентификационных микромодулей, обеспечивающая планаризацию микромодуля, сопоставимого по толщине с толщиной микросхемы.

Оригинальность и научная новизна найденных решений подтверждена патентом Российской Федерации на изобретение.