微納3D打印：為微電(dian)子(zi)陶瓷封(feng)裝(zhuang)註入(ru)新動能

當(dang)增材制造(zao)與人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)、數字(zi)孿生技(ji)術深(shen)度融合(he)，微電(dian)子(zi)封(feng)裝(zhuang)技(ji)術正(zheng)在向自(zi)適應智能系統進(jin)化。隨(sui)著(zhe)半導體器(qi)件(jian)向微型化、三(san)維集成化方(fang)向(xiang)加(jia)速(su)演進(jin)，傳(chuan)統(tong)封(feng)裝(zhuang)工(gong)藝的局限性日(ri)益(yi)凸(tu)顯。在這(zhe)關(guan)鍵(jian)轉折(zhe)點(dian)上，以(yi)休斯研究實(shi)驗室（HRL Laboratories）為(wei)代(dai)表的(de)科(ke)研(yan)機(ji)構，正(zheng)通(tong)過(guo)3D打印技(ji)術重(zhong)塑(su)微電(dian)子(zi)封(feng)裝(zhuang)的底(di)層(ceng)邏輯，開(kai)啟(qi)產(chan)業變革的新篇章。

在微電(dian)子(zi)技(ji)術向(xiang)三維異構集(ji)成(cheng)演(yan)進(jin)的(de)關(guan)鍵(jian)階段(duan)，低(di)溫共(gong)燒(shao)陶瓷（LTCC）和高(gao)溫共(gong)燒(shao)陶瓷（HTCC）技(ji)術雖(sui)在規模化生產中占(zhan)主(zhu)導(dao)，但其(qi)二維層(ceng)壓-燒(shao)結(jie)工(gong)藝存在局限性，導(dao)致(zhi)電(dian)氣布線(xian)受限，面臨幾何(he)自(zi)由度不足(zu)、集成(cheng)密(mi)度瓶(ping)頸(jing)和(he)異質(zhi)集成(cheng)障(zhang)礙(ai)等(deng)挑(tiao)戰(zhan)。特(te)別是在紅(hong)外焦(jiao)平(ping)面(mian)陣列（FPA）的(de)異質(zhi)集成(cheng)中(zhong)，傳(chuan)統(tong)平(ping)面(mian)中介層(ceng)難以(yi)滿足(zu)曲面(mian)探測(ce)器(qi)的精(jing)準對(dui)接需(xu)求(qiu)，導致(zhi)信號(hao)路徑(jing)和阻(zu)抗匹配問(wen)題。

休斯研究實(shi)驗室作(zuo)為(wei)波音(yin)與通(tong)用汽(qi)車(che)共(gong)同孕(yun)育(yu)的創(chuang)新引擎(qing)，在Tobias Schaedler博(bo)士(shi)的帶領下(xia)，通過(guo)摩方(fang)精(jing)密面(mian)投(tou)影(ying)微立體光(guang)刻(ke)（PμSL）3D打印技(ji)術實(shi)現(xian)了(le)陶瓷封(feng)裝(zhuang)領域(yu)的(de)革(ge)命性突(tu)破(po)。這(zhe)項技(ji)術不(bu)僅攻(gong)克了(le)傳(chuan)統(tong)工(gong)藝的物(wu)理(li)極限，更(geng)重新定(ding)義了(le)微電(dian)子(zi)系統的集(ji)成範(fan)式(shi)，為(wei)半導體產(chan)業開(kai)啟了全新的技(ji)術維度。

研(yan)究團(tuan)隊設計並利用(yong)摩方(fang)精(jing)密microArch® S230 （精(jing)度：2 μm）3D打印系統打印後(hou)高(gao)溫熱(re)解得到含有通(tong)孔陣列的(de)陶(tao)瓷中介(jie)層(ceng)，其(qi)中通孔的直(zhi)徑(jing)與間距(ju)分別(bie)小(xiao)至9 μm和(he)18 μm。在此基礎(chu)上，采用(yong)熔融滲(shen)透(tou)技(ji)術對(dui)通孔進(jin)行金(jin)屬化處(chu)理(li)，構建(jian)了(le)電(dian)氣路徑(jing)，開創(chuang)了(le)通(tong)孔布線的(de)新篇章，實(shi)現(xian)了(le)包括(kuo)彎曲(qu)和傾斜(xie)通(tong)孔在內的復(fu)雜布線(xian)，為(wei)微電(dian)子(zi)系統的三(san)維集成封(feng)裝(zhuang)提(ti)供了(le)創新方(fang)案。

圖1. 3D打印中介(jie)層(ceng)制造(zao)原理(li)圖。

本(ben)研究展示(shi)了兩種(zhong)創(chuang)新中介(jie)層(ceng)設計：壹是彎曲(qu)型中介(jie)層(ceng)，其(qi)設計理(li)念是為(wei)了(le)實(shi)現(xian)彎曲(qu)紅(hong)外探測(ce)器(qi)與平面讀出(chu)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)（ROIC）的有效(xiao)連接(jie)；二是扇(shan)出型中介(jie)層(ceng)，該設計成功將(jiang)通孔陣列的(de)間距(ju)從60μm擴展至220μm。這(zhe)兩種(zhong)中(zhong)介層(ceng)的實(shi)現(xian)，需(xu)依(yi)賴於數(shu)千(qian)個彎曲(qu)和傾斜(xie)通(tong)孔的精(jing)確制造(zao)，這(zhe)壹技(ji)術高(gao)度超越了(le)傳(chuan)統(tong)微電(dian)子(zi)加工(gong)方(fang)法(fa)的(de)局限。

圖2. 彎曲(qu)型中介(jie)層(ceng)。

圖3. 扇(shan)出型中介(jie)層(ceng)。

隨(sui)後(hou)，研(yan)究團(tuan)隊測試(shi)出金(jin)屬化處(chu)理(li)後(hou)的(de)通(tong)孔電(dian)阻(zu)約(yue)為4 x 10-8 Ω⋅m，與銀和(he)銅(tong)的電(dian)阻(zu)值(zhi)處(chu)於同壹(yi)數(shu)量級(ji)，通(tong)過微納3D打印技(ji)術制造(zao)的彎曲(qu)和傾斜(xie)通(tong)孔結(jie)構，可突(tu)破(po)傳(chuan)統(tong)工(gong)藝的布(bu)線(xian)限制，為(wei)高分辨(bian)率(lv)成(cheng)像傳(chuan)感(gan)器(qi)提(ti)供緊(jin)湊型系統解決(jue)方(fang)案。

在這(zhe)場由增材制造(zao)驅(qu)動的陶(tao)瓷封(feng)裝(zhuang)技(ji)術創(chuang)新中，休斯研究實(shi)驗室的(de)實(shi)踐印證了(le)三點(dian)產業規律(lv)：精(jing)密制造(zao)需回(hui)歸材料(liao)本(ben)源(yuan)，工(gong)藝創新需突(tu)破(po)維度約束，技(ji)術突(tu)破需(xu)構建(jian)跨(kua)學(xue)科(ke)協(xie)同。未(wei)來，隨(sui)著(zhe)微納3D打印技(ji)術的(de)加入(ru)，將(jiang)會(hui)進(jin)壹(yi)步(bu)重(zhong)構電(dian)子(zi)器件(jian)的物(wu)理(li)形(xing)態，開(kai)啟智(zhi)能硬(ying)件(jian)進(jin)化的(de)新維度，更(geng)催生出具(ju)備環境(jing)感(gan)知與自(zi)主(zhu)優(you)化的(de)新壹代(dai)智(zhi)能精(jing)密硬(ying)件(jian)。