マイクロナノ3Dプリンティングがマイクロエレクトロニクスセラミックパッケージに新たな推進力をもたらす

出典: MF Precision

付加製造が人工知能やデジタルツイン技術と深く統合されるにつれて、マイクロエレクトロニクスのパッケージング技術は適応型インテリジェントシステムへと進化しています。半導体デバイスの小型化と三次元集積化が加速するにつれ、従来のパッケージングプロセスの限界がますます顕著になってきています。この重要な転換点において、HRL ラボラトリーズが代表する科学研究機関は、3D 印刷技術を通じてマイクロエレクトロニクスパッケージングの基本的なロジックを再構築し、産業変革の新たな章を開いています。

マイクロエレクトロニクス技術の3次元異種集積化に向けた進化の重要な段階において、低温同時焼成セラミックス（LTCC）と高温同時焼成セラミックス（HTCC）の技術が大規模生産の主流となっているものの、2次元積層および焼結プロセスには限界があり、電気配線が制限され、不十分な幾何学的自由度、集積密度のボトルネック、異種集積化障壁などの課題に直面しています。特に、赤外線焦点面アレイ (FPA) の異種統合では、従来の平面インターポーザでは曲面検出器の正確なドッキング要件を満たすことができず、信号パスとインピーダンス整合の問題が発生します。

ボーイングとゼネラルモーターズが共同で育成したイノベーションエンジンとして、ヒューズ研究所は、トビアス・シェードラー博士のリーダーシップの下、モルフォの精密表面投影マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）3Dプリント技術を通じて、セラミックパッケージングの分野で革命的な進歩を達成しました。この技術は、従来のプロセスの物理的限界を克服するだけでなく、マイクロエレクトロニクスシステムの統合パラダイムを再定義し、半導体業界に新たな技術的次元をもたらします。

研究チームは、MMF高精度microArch® S230（精度：2μm）3D印刷システムを設計して使用し、印刷後に高温で熱分解して、貫通穴の配列を含むセラミックインターポーザーを取得しました。貫通穴の直径と間隔はそれぞれ9μmと18μmと非常に小さいです。これを基に、溶融浸透技術を使用してスルーホールを金属化し、電気経路を構築し、スルーホール配線の新たな章を開き、湾曲したスルーホールや傾斜したスルーホールを含む複雑な配線を実現し、マイクロエレクトロニクスシステムの3次元統合パッケージングに革新的なソリューションを提供しました。

図 1. 3D プリントインターポーザー製造の概略図。
この研究では、2 つの革新的なインターポーザ設計を実証しています。1 つは、湾曲した赤外線検出器と平面読み出し集積回路 (ROIC) 間の効果的な接続を実現するように設計された湾曲インターポーザ、もう 1 つは、スルーホールアレイのピッチを 60 μm から 220 μm に拡張することに成功したファンアウトインターポーザです。これら 2 つのインターポーザーの実現には、何千もの湾曲した角度付きビアの精密な製造が必要であり、これは従来のマイクロエレクトロニクス処理方法の限界を大幅に超える技術です。

図 2. 湾曲したインターポーザー。
図 3. ファンアウトインターポーザー。
その後、研究チームは、金属化処理後のスルーホール抵抗が約4 x 10-8Ω⋅mであることをテストしました。これは、銀や銅の抵抗値と同じ桁です。マイクロナノ3Dプリント技術によって製造された湾曲した傾斜したスルーホール構造は、従来のプロセスの配線制限を打ち破り、高解像度の画像センサー用のコンパクトなシステムソリューションを提供できます。

積層造形によって推進されるこのセラミックパッケージング技術革新において、ヒューズ研究所の実践は、精密製造には材料の原点に戻る必要がある、プロセス革新には寸法制約を打破する必要があり、技術革新には学際的なコラボレーションが必要であるという 3 つの業界法則を確認しました。将来的には、マイクロナノ3Dプリント技術が加わることで、電子機器の物理的形状がさらに再構築され、スマートハードウェアの進化の新たな次元が開かれ、環境認識と自律最適化を備えた新世代のスマート精密ハードウェアが誕生します。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104642

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