Планарные микросхемы: Пайка планарных микросхем на заказ недорого

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ -планарная конфигурация и способ изготовления таких структур.

ПРЕДПОСЫЛКИ

Существует много приложений, в которых было бы выгодно использовать неплоские интегральные схемы. Например, оптическому формирователю изображения требуется большая, тяжелая и сложная оптика, если изображение с широким полем зрения (FOV) должно проецироваться на плоскую матрицу фотодетекторов. Возможность изгибать матрицу фотодетекторов в желаемую форму упростила бы требуемую оптику и существенно улучшила бы оптические характеристики формирователя изображения.

Однако непланарная электроника сложна в производстве и, как правило, имеет более низкую производительность по сравнению, например, с современной КМОП-электроникой. Органические подложки обычно используются для обеспечения гибкой электроники, но схемы на основе органических подложек обычно обеспечивают меньшую плотность активных схем и ограничены работой на более низких частотах по сравнению с CMOS.

Другой подход заключается в разделении цепи на несколько смежных сегментов, границы которых можно сложить; Одним из примеров является 3-Die μZ ™ Folded Die Stack от Tessera, Inc. Однако этот метод имеет тенденцию приспосабливаться к ограниченному количеству сегментов и требует межсоединений большого размера между сегментами.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Здесь представлены структура микросхемы и способ изготовления, которые позволяют складывать структуру в желаемую неплоскую конфигурацию.

Описанная здесь структура изначально представляет собой плоскую полупроводниковую пластину, на которой сформирована схема. Плоская пластина сегментирована на множество плиток, и между соседними парами плиток соединено множество шарнирных механизмов. Плитки и шарнирные механизмы расположены таким образом, что сегментированная пластина может быть сложена в требуемую неплоскую конфигурацию, имеющую высокий коэффициент заполнения и небольшие зазоры между плитками.

Описано несколько средств, с помощью которых могут быть обеспечены шарнирные механизмы конструкции. Например, шарнирные механизмы могут содержать органический материал, нанесенный на пластину таким образом, что он обеспечивает механическое соединение между соседними парами плиток. Металлические соединительные дорожки, обеспечивающие электрические соединения между соседними парами плиток, могут быть сформированы непосредственно над органическими шарнирными механизмами или могут быть проложены между соседними парами плиток через податливые перемычки, соединяющие соседние пары плиток.

В качестве альтернативы, металлические соединительные дорожки конструкции, которые обеспечивают электрические соединения между соседними парами плиток, могут служить частью или всем шарнирным механизмом. При желании шарнирные механизмы соединения могут быть расположены так, чтобы компенсировать угловое отклонение между соседними парами плиток шарнирного механизма. Металлические соединительные шарнирные механизмы, которые предпочтительно имеют конформное покрытие, могут также включать два или более уровней металла.

Складная микросхема может быть изготовлена ​​путем постобработки полупроводниковой пластины, такой как стандартная КМОП-схема, для формирования сегментированной пластины. Плитки, на которые сегментирована пластина, имеют форму, обеспечивающую высокий коэффициент заполнения в складчатой ​​геометрии. При таком расположении сегментированная пластина может быть сложена, например, в виде кусочно-изогнутой структуры. Такой структурой может быть, например, полусферическая структура, предназначенная для обеспечения массива фотодетекторов с широким полем зрения.

Дополнительные признаки и преимущества изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники из следующего подробного описания вместе с прилагаемыми чертежами.

Настоящее изобретение позволяет свернуть структуру микросхемы в желаемую неплоскую конфигурацию. Два примерных варианта осуществления показаны на фиг. 1 а и 1 б. В каждом примере схема (не показана) была изготовлена ​​на полупроводниковой пластине, которая затем была сегментирована на множество плиток 10 . Для удержания сегментов вместе и обеспечения возможности складывания сегментированной конструкции используется множество шарнирных механизмов 9.0003 14 соединены между соседними парами плиток. Плитки и шарнирные механизмы расположены таким образом, что сегментированная пластина может быть сложена в требуемую неплоскую конфигурацию, имеющую высокий коэффициент заполнения и небольшие зазоры между плитками.

В одном варианте осуществления множество шарнирных механизмов микроструктуры может содержать органический материал, нанесенный на пластину таким образом, что он обеспечивает механическое соединение между соседними парами плиток. Органический материал может представлять собой, например, осажденный из паровой фазы полимерный материал, который предпочтительно является изолирующим, поскольку изолирующий материал помогает предотвратить короткие замыкания между плитками и/или дорожками межсоединений. Парилен является предпочтительным органическим материалом. При желании на нанесенный органический материал можно нанести рисунок и протравить, предпочтительно с использованием процесса сухого травления, так, чтобы он присутствовал только в промежутках между соседними краями смежных пар плиток и рядом с ними; ФИГ. 1 a и 1 b иллюстрируют эту возможность, в которой более темные заштрихованные части представляют шарнирные механизмы.

Существует несколько способов, с помощью которых можно осуществлять электрические соединения между соседними парами плиток, когда шарнирные механизмы микроструктуры обеспечиваются осажденным органическим материалом. Одна возможность проиллюстрирована на соответствующих видах в разрезе и в плане, показанных на фиг. 2 a и 2 b, соответственно. Две смежные плитки 20 , 22 , на основе которых была изготовлена ​​электронная схема (не показана). Шарнирный механизм 24 состоит из органического материала, который был осажден, с нанесенным рисунком и травлением таким образом, что он механически соединяет плитки 20 и 22 вместе, и присутствует только в промежутках между и рядом с соседними краями пары плитка. Затем можно сформировать одну или несколько дорожек металлических соединений 26 непосредственно поверх узорчатого и протравленного органического материала; в показанном примере трассировка 26 проходит между контактными площадками 28 и 30 на плитках 20 и 22 соответственно через шарнирный механизм 24 .

Поскольку конструкция будет складываться, шарнирные механизмы и металлические соединительные дорожки должны находиться на одной стороне пластины, которая может быть либо верхней, либо задней стороной.

Для смежных пар плиток может быть выгодно иметь соответствующие углубления, расположенные таким образом, чтобы улучшить сцепление шарнирного механизма из органического материала с сегментированными плитками. Пример этого показан на фиг. 2 а, с плитками 20 и 22 с углублениями 32 и 34 соответственно, которые служат для улучшения сцепления шарнирного механизма из органических материалов 24

с плиткой 90 3 40 20 .

Углубленное травление можно использовать, когда шарнирные механизмы расположены со стороны схемы пластины или со стороны, не связанной с цепью. При использовании со стороны схемы травление должно быть расположено в «запретной зоне», которая не содержит разводящего металла или схемы. В качестве альтернативы элементы крепления могут быть нанесены или нанесены на поверхность со стороны контура, что улучшит прилипание, не требуя зоны отчуждения.

Другой способ выполнения электрических соединений между соседними парами плиток для микроструктуры с использованием органических шарнирных механизмов показан на соответствующих видах в разрезе и в плане, показанных на ФИГ. 3 a и 3 b, соответственно. Показаны две смежные плитки 40 , 42 , на которых изготовлена ​​электронная схема (не показана). Шарнирный механизм 44 состоит из органического материала, который был осажден, с рисунком и травлением таким образом, что он соединяет плитки 40 и 42 вместе механически и присутствует только в промежутках между соседними краями пары плиток и рядом с ними. Однако здесь металлические соединительные дорожки 46 , которые обеспечивают электрические соединения между соседними плитками, проложены через шарнирный механизм 44 через податливую перемычку 48 (показана на фиг. 3 и ), которая охватывает плитки. Соответствующий мост 48 может состоять из тонкопленочных металлов, таких как алюминий или золото. Как и раньше, трасса соединения 46 может заканчиваться на контактных площадках 50 и 52 на плитках 40 и 42 соответственно, а углубленные травления 54 и 590 шарнирный механизм 390 может улучшить сцепление органического материала 44 до плитки 40 и 42 соответственно. Обратите внимание, что, хотя податливая перемычка 48 показана как образованная непосредственно над петлей 44 , некоторые или все податливые перемычки конструкции могут альтернативно располагаться рядом с петлями.

Одна или несколько металлических дорожек, соединяющих соседние плитки, могут быть расположены так, чтобы компенсировать угловой прогиб между плитками. Это достигается формированием дорожки таким образом, чтобы допускать, по меньшей мере, некоторый изгиб и/или скручивание без разрыва. Один возможный вариант осуществления показан на соответствующих видах в разрезе и в плане, показанных на фиг. 4 a и 4 b, соответственно. Показаны две смежные плитки 60 , 62 . Шарнирный механизм 64 состоит из органического материала, который был нанесен, нанесен по образцу и протравлен таким образом, что он механически соединяет плитки 60 и 62 вместе. Как и на фиг. 3 a и 3 b, эластичная перемычка 66 формируется над петлей 64 , на которую могут опираться металлические соединительные дорожки между соседними плитками. Однако здесь металлическая соединительная дорожка 68 включает в себя поперечный выступ 70 , который позволяет дорожке выдерживать некоторую степень изгиба и/или скручивания без разрушения. Как и раньше, трасса соединения 68 может заканчиваться на контактных площадках 71 и 72 на плитках 60 и 62 соответственно, а углубленные травления 74 и 79 могут служить для улучшения сцепления органического материала 30 шарнирного механизма 30 64 до плитки 60 и 62 соответственно.

Обратите внимание, что металлические соединительные дорожки, расположенные так, чтобы компенсировать угловое отклонение между плитками, также могут использоваться в варианте осуществления, показанном на РИС. 2 a и 2 b, , в которых дорожки формируются непосредственно над узорчатым и протравленным органическим материалом, составляющим шарнир.

Как отмечалось выше, электрические соединения между соседними плитками могут быть выполнены с помощью металлических соединительных дорожек. В другом возможном варианте осуществления изобретения металлические соединительные дорожки между соседними плитками могут служить полностью или частично шарнирным механизмом, соединяющим пару вместе. Металлические дорожки межсоединений между плитками могут быть частью металла межсоединений, необходимого для схем, изготовленных на пластине. Например, если схема представляет собой КМОП-схему, металлические дорожки межсоединений между ячейками могут быть сформированы непосредственно из многослойного металла маршрутизации, который является частью КМОП-схемы.

Дорожки предпочтительно имеют конформное покрытие, чтобы обеспечить дополнительную механическую связь и структурную целостность между соседними плитками, а также обеспечить защиту дорожек. Конформное покрытие предпочтительно содержит полимер, который может быть нанесен в виде слоя сверху или снизу дорожек, или, что предпочтительнее, в виде слоев как сверху, так и снизу дорожек, что служит для минимизации деформации на дорожках. металл.

РИС. 5 а — 5 е представляют собой виды в разрезе, иллюстрирующие один из возможных способов изготовления сегментированной и шарнирной структуры микросхемы в соответствии с настоящим изобретением, в котором металлические соединительные дорожки между соседними плитками служат всем или частью шарнирного механизма, соединяющего пару вместе. На фиг. 5 a, схемотехника (не показана) и металлические дорожки межсоединений 80 сформированы на планарной полупроводниковой пластине 82 обычным способом с диэлектрическими слоями 84 , 86 нанимаются по мере необходимости. Как отмечалось выше, если схема представляет собой, например, КМОП-схему, металлические дорожки 80 межсоединений могут состоять из одного или нескольких слоев металлической разводки в процессе КМОП-схемы. Канавка 88 протравлена ​​на задней стороне пластины до первого диэлектрического слоя 84 (фиг. 5 b ). Пластину предпочтительно травят с использованием процесса глубокого реактивно-ионного травления (DRIE), например, с использованием химического травления и пассивации с последовательностью во времени. Результирующие промежутки между плитками должны иметь такой размер, чтобы каждая плитка могла двигаться, в то же время сводя к минимуму мертвое пространство конструкции, образующееся, когда сегментированные плитки складываются в желаемую форму.

Диэлектрический слой в зазоре, образованном канавкой, затем вытравливается, освобождая металлическое соединение 90 (фиг. 5 c ). При желании на пластину наносят конформное покрытие 92 , тем самым обеспечивая конформные слои как на верхней, так и на нижней части соединения 90 , чтобы обеспечить механическую поддержку (фиг. 5 d ). Как показано на фиг. 5 e, микроструктура теперь гибкая и может быть деформирована в неплоскую форму. Благодаря такому использованию металлических межсоединений конструкции отпадает необходимость в последующей постобработке межсегментных электрических соединений. Этот подход также обеспечивает высокую плотность электрических соединений и позволяет тестировать схему до какой-либо постобработки.

Описанная здесь микроструктура может быть основана на различных полупроводниковых материалах и содержать различные типы схем. Например, в одном предпочтительном варианте осуществления структура представляет собой КМОП-схему с алюминиевыми межсоединениями, изготовленную на кремниевой пластине с использованием обычных технологий изготовления КМОП. В этом случае складная схема создается путем постобработки планарной КМОП-схемы для формирования сегментированной схемы. Этот подход позволяет разработчику использовать современную литейную КМОП-технологию, которая существует для проектирования и изготовления планарных КМОП-схем без ущерба для производительности. Это также позволяет изготавливать схемы с более высокой плотностью и производительностью, чем могут быть достигнуты в конструкциях, использующих гибкие органические подложки.

Ширина сегментированных плиток обычно составляет от десятков микрон до нескольких миллиметров; если плитки меньше примерно 10 микрон, зазор между соседними плитками будет доминировать в потреблении площади кристалла, в то время как плитки больше нескольких миллиметров значительно ограничат количество плиток, которые поместятся в данной плоской области матрицы, если только не очень большая матрица. размер был в наличии.

Как описано выше в отношении ФИГ. 4 a и 4 b, одна или несколько металлических направляющих, соединяющих смежные плитки, могут быть расположены так, чтобы компенсировать угловое отклонение между плитками, достигаемое путем формирования направляющей таким образом, чтобы она выдерживала, по меньшей мере, некоторый изгиб и/или скручивание без разрушения. Это проиллюстрировано для варианта осуществления, в котором соединительные дорожки служат всеми или частью шарнирных механизмов на фиг. 6 а и 6 б. На фиг. 6 a, a металлическая соединительная дорожка 100 соединяет сегментированную плитку 102 с сегментированной плиткой 104 . В этом варианте нет приспособления для углового отклонения. На фиг. 6 b, металлическая соединительная дорожка 100 изготовлена ​​таким образом, что она включает в себя боковую ступеньку 106 , которая позволяет трассе компенсировать большее угловое отклонение между плитками, чем конфигурация на фиг. 6 а. Обратите внимание, что существует множество способов изготовления дорожек межсоединений, чтобы улучшить степень, в которой они компенсируют угловое отклонение; боковой изгиб, как показано на фиг. 6 b — это всего лишь один из способов.

Другой вариант показан на фиг. 6 г. Здесь металлическая соединительная дорожка 110 между плитками 102 и 104 изготовлена ​​таким образом, что она имеет более одного уровня; двухуровневая трасса показана на фиг. 6 г. Такое многоуровневое расположение служит для увеличения жесткости конструкции.

Как отмечалось выше, важно, чтобы плитки, на которые сегментируется пластина, имели форму, обеспечивающую высокий коэффициент заполнения в складчатой ​​геометрии. Как правило, желаемая трехмерная форма может быть разложена на плоскую поверхность, а существующая инфраструктура интегральных схем может быть использована для изготовления полученной двумерной схемы. При правильном проектировании плиток можно сформировать сложные трехмерные формы.

Желаемая неплоская конфигурация может быть получена, например, путем складывания сегментированной пластины вокруг оправки. Такая оправка предпочтительно должна быть растворимой или иметь растворимый поверхностный слой для облегчения высвобождения, и следует выполнять этап или этапы последующей обработки, посредством которых оправка или разделительный слой будут растворяться.

Одной из очень желательных трехмерных форм является криволинейная поверхность. Например, плитки схемы, сегментированные и шарнирно закрепленные, как описано в данном документе, могут иметь такую ​​форму, что их можно сгибать для образования кусочно-изогнутой структуры, такой как сферическая или полусферическая структура. Пример показан на фиг. 7. Здесь сегментированные плитки 110 имеют такую ​​форму, что полученная конструкция может быть сложена в виде кусочно-полусферической конструкции 112 , имеющей высокий коэффициент заполнения и небольшие зазоры между плитками.

Одно из возможных применений конструкции такого типа — криволинейная матрица фотодетекторов. Как отмечалось выше, для оптического формирователя изображения требуется большая, тяжелая и сложная оптика, если изображение с широким полем зрения должно проецироваться на плоскую матрицу фотодетекторов. Возможность изогнуть матрицу фотодетекторов упрощает требуемую оптику и существенно улучшает оптические характеристики имидж-сканера.

Матрица фотодетекторов, выполненная в соответствии с изобретением, может обеспечить широкое поле зрения (~120°) с помощью простой оптики. Диаграмма, иллюстрирующая это, показана на фиг. 8. Предусмотрена матрица , 120 фотодетекторов, изогнутая, как описано здесь, и оптические элементы , 122 , расположенные перед матрицей, так что входящий свет фокусируется на вогнутой поверхности матрицы в широком поле зрения.

Матрица фотодетекторов, показанная на РИС. 7 и 8 могут содержать один или несколько дополнительных слоев. Например, можно использовать дополнительный слой для обеспечения схемы считывания матрицы фотодетекторов.

Существует множество возможных применений складной микросхемы, описанной здесь. Изогнутый фотодетектор или матрица фокальной плоскости (FPA), как описано выше, можно использовать для обеспечения формирования изображения с широким полем зрения; такой имидж-сканер может быть развернут, например, как часть дистанционного датчика или беспилотного летательного аппарата (БПЛА). Изогнутая структура такого рода также может быть полезной для схемы с определенным направлением, такой как акустический датчик, или для размещения схемы в ограниченном пространстве или для ее согласования с геометрией платформы хоста.

Варианты осуществления изобретения, описанные здесь, являются примерными, и можно легко представить многочисленные модификации, вариации и перестановки для достижения по существу эквивалентных результатов, все из которых предназначены для охвата духа и объема изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения. .

Планарные катомы — Университет Карнеги-Меллона