M3D® AEROSOL JET™

MASKLESS MESOSCALE MATERIALS DEPOSITION TECHNOLOGY FOR ELECTRONICS APPLICATIONS 無光罩中尺度材料沉積技術在電子業的應用

Martin Hedges1 , Mike Renn2, Mike Kardos
1. Neotech Services MTP, Petzolt Str. 3, 90443, Nuremberg Germany
2. Optomec Inc., 3911 Singer, NE, Albuquerque, NM 87109, USA.Abstract

摘要

The continual drive for smaller, more powerful and economic electronic systems, has led to the development of a new manufacturing technology, Maskless Mesoscale Materials Deposition (M3D). Without masks or resists, features down to 10 microns can be directly written in a wide variety of materials, including metals, ceramics, polymers and adhesives, on virtually any surface material - silicon, glass, polymers, metals and ceramics. For polymer substrates with a low temperature tolerance, M3D locally processes the deposition through a laser scanning process. The end result is a high-quality thin film with excellent edge definition and near-bulk electronic properties.

由於持續要求電子系統輕薄短小、功能強大、和價格經濟，因而發展出了新的無光罩中尺度材料沉積（M3D）技術。不需要光罩或光阻，可以直接塗佈任何材料，包括：金屬、陶瓷、聚合物和黏著劑等，在任何基材的表面－矽膠、玻璃、聚合物、金屬和陶瓷形成小至10微米的構造。對於溫度耐受性較低的聚合物基板，M3D還能夠透過雷射進行局部掃瞄沉積，最終可以獲得邊緣清晰且近似於實體電性的高品質導電薄膜。

As a CAD driven, additive manufacturing process, M3D provides significant environmental benefits and reduced processing requirements, eliminating the waste associated with traditional subtractive (e.g. mask and etch) processes. M3D can also precisely deposit materials on non-planar substrates. With no physical contact with the substrate by any portion of the tool other than the deposition stream, conformal writing is easily achieved.

Other benefits include: M3D是利電腦輔助設計的一種加法製造過程，除了提供顯著的客觀優勢外，更降低了加工的需求，並減少傳統基板加工過程（例如：微影和蝕刻製程）所產生的廢料。M3D也可以精確地將材料沉積在非平面的基板上。除了沉積氣流之外，並沒有任何的機具實際接觸到基板表面，均勻沉積可以輕易地完成。其他的優點還包括：

Time Compression and Increased Manufacturing Agility /節省時間並增加製造靈活度，
Lower Costs /成本較低，
Better Product Designs. /產品設計更好。

This paper will detail the benefits of M3D technology in creating mesoscale features for electronics assembly and semiconductor packaging applications. It will outline some of the current application areas including polymer deposition for electronics.
本報告將詳述M3D技術在中尺度電子組裝和半導體封裝等應用上的優點。此外也將摘要說明目前應用的範圍，包括聚合物沉積的電子元件。

1. 前言

近年來，新的製造技術給予各行各業生產廠商極大的成本、時間和品質方面的優勢。這類新的技術統稱為加法製造技術。
在加法製造技術過程中，材料被一層層地沉積成多層或立體的工件與構造。這與傳統製造法截然不同，減法製造技術，也就是將部份材料除去以製成最終的形態。
加法製造技術的特色是直接使用電腦輔助設計，「由設計到產品」的製程，可免除昂貴耗時的模具、光罩和垂直/水平整合工作，因而減少了製造步驟。這樣的特性提供更多樣化的好處：

節省時間並增加製造靈活度。

成本較低

產品設計更好。

2. M3D －無光罩中尺度材料沉積

M3D的研發原是要填補微電子製造中被忽略的一個中間段落。目前的技術，或用於製造極小型的電子構造，例如氣相沉積；或用於較大的構造，例如網版印刷。尚無技術可滿足重要的中尺度（1至100mm）導線、元件和裝置的生產。隨著電子裝置的尺寸不斷地縮小，厚膜製造已趨近模板印刷能力的極限。薄膜技術可以進行中尺度構造的沉積，但此項操作不僅需要技巧純熟的工程師，對於每一項新的應用還必須投資大量的新製造設備。在這種情況下，無光罩中尺度材料沉積（M3D）的研發被納入中尺度積體軟性電子元件計劃（Mesoscale Integrated Conformal Electronics Program）中，由美國國防部先進研究計劃署(DARPA)資助進行。

2.1 M3D 如何運作

M3D是使用電腦輔助設計運作的無光罩製程。透過氣動聚焦的應用使化學前驅液和/或膠狀懸浮液的沉積能達到更高的解晰度。含有沉積物的氣流透過聚焦、沉積而描繪在平面或非平面的基板上。這個系統共有三個模組，圖 1：
I. 霧化液體和膠狀懸浮液模組（霧滴生成）。
II. 聚焦霧滴氣流沉積模組（高速動態製程）。
III. 對沉積物進行後處理燒結的雷射裝置模組。

霧滴生成可以使用超音波或氣動式霧化器。接下來使用噴頭導引氣流聚集霧滴，並在霧滴和鞘氣流間形成同心圓的氣流。由噴頭流出的同心圓氣流再經由噴嘴向基板噴出。M3D導引噴頭能夠將霧滴集中於僅為噴嘴口面積十分之一的表面。要完成特定圖型的沉積，可將基板置於電腦控制的平台上，也可令基板位置固定而僅移動噴頭。

接下來往往需要進行沉積物的後續熱處理，以固化材料或增加導電性等。依據不同的應用，有時可使用傳統的烤箱燒結，若為溫度耐受性較低之基板則使用雷射燒結，以達到局部加熱沉積物而不影響周圍基板的目的。

M3D系統可以高速噴印電子構造。沉積的速率可高達每秒100毫米，因此系統能符合快速原型和大量電子製造的需求。

2.2 M3D的特色、優點與應用。

加快產品開發。M3D系統使用標準DXF CAD檔，因此設計人員可以快速且具成本效益地進入新原型和新產品的測試。這可以免除傳統電子製造技術因使用光罩組所造成的延遲與成本，以及其他所需投注之先期資金。這樣的特性也使設計變更的執行與驗證更容易，可以不需要「重開模具」。少了微影和蝕刻製程，容許線上變更，並加快設計修改。新產品因此可以更快地上市。

應用材料廣泛。M3D可以沉積各式各樣不同的材料，包括：金屬、導電材、絕緣材、亞鐵鹽類、聚合物、黏著劑和生物材質。而沉積則幾乎可以在任何材質的表面上－矽、玻璃、塑膠、金屬、陶瓷、聚醯胺類和聚酯類。如此高的靈活性，使得不同的應用可共容於單一製程。表 1。

許多電子產品在製造時都要用到多層製造技術。M3D可以在單一系統內一層層地沉積導體、絕緣體和黏著劑，將成為微電子裝置部分或全部生產上最有吸引力的解決方案。M3D在這方面的應用範圍包括：燃料電池中的白金次微米層、平面顯示器使用的高密度背板連接線（有機和金屬）、以及航空電子設備中的微感應器。由於許多這類市場都不斷地在發展，M3D不僅可以成為強而有力的產品研發工具，也是可行的生產方案。以它在顯示器製造方面的潛力來說：M3D可以將材料精確地噴印，以修補背板上的導線斷路或彩色濾光片上不同顏色的光阻缺陷。

封裝和組件

高密度連接線
覆晶封裝/裸晶技術
嵌入/整合被動元件
軟性電子
中微量注料

電子零件

電阻、電容和電感
微天線
微電池

電子裝置

平面顯示器
燃料電池
微感測器
微機電和無線射頻識別系統

混成製造

智慧型產品

生物技術

生物感測器和植入性裝置
微陣列

表 1. M3D的應用範圍

M3D沉積的聚合物系統，有兩大類別：純聚合物和微粒填充聚合物。已經用M3D沉積過的純聚合物包括：Matrimid®、Kerimid®和Teflon®，此外還包括數種環氧樹酯。這些材料通常用來當作金屬化處理的基礎保護層，或金屬化處理中不易起反應的鈍化層或保護層。在這些情況下，低介電常數和高耐受電壓將是這些材料的重要特性。另外這些材料也可用來在基板上形成斥水構造，因此後續的沉積物只會附著在周圍親水區域，而無法覆蓋斥水區域。此外，還可以藉由混合不同折射率的環氧樹酯，製成平面透鏡，這種透鏡沿著直徑由外而內，折射率會呈現出梯度變化。

微粒填充聚合物系統從字面上即知，聚合物中填充了第二相物質。在這樣的系統中，填充的粒子往往也是系統中「具功能的」部份，而聚合物則扮演黏著劑的角色。系統中的粒子必需極小（一般小於200nm）才能被霧化，如此才能確保所沉積出的構造具有賦予的功能，聚合物厚膜（PTF）系統即為一例。市售聚合物厚膜膠有：導電材、絕緣材和電容器用的高介電材，其中聚合物厚膜電阻更是非常適合採用M3D製程，圖 2。

典型的環氧樹酯會加上一定量的碳，使聚合物略具導電性。圖 2 中所舉的例子，約為2方電阻，其中的「方」是在本應用中的標準記號，計算方法為長除以寬，或構成電阻的等長和等寬的區塊數。當所有條件一致時，不論尺寸大小，10方電阻都具有相同的電阻值。

此外也可以成功地構成聚合物厚膜電容器，圖 3。這些環氧樹酯的膠狀物中添加有鈦酸鋇等高介電常數的物質。聚合物厚膜導體的應用業已嘗試過，但目前市售的膠狀物不適用於M3D。主要的問題在於膠狀物中的銀顆粒過大而無法霧化。專利的聚合物厚膜導體已研發出來了，但仍需要進一步的改良。

精細的圖型。

用M3D來製造特別精細的電路系統，絕非厚膜和噴墨製程所能及，因此非常適合用於下一代晶片的封裝和電路板高密度連接材料應用。選擇適當的材料，配合雷射燒結裝置，M3D還可以製造小至10微米的電子構造。這項技術應用的實例是覆晶封裝技術，圖 4。

M3D重新佈線製成25微米的電路與35微米的焊墊，來支援不斷增加的封裝腳數。

由於連接線的尺寸變小，使元件也變小了。例如，目前的無線射頻識別晶片尺寸受限於網印產品的大小，而無線射頻識別系統標籤的成本取決於晶片的大小，因此晶片成為降低成本的障礙。使用M3D取代網印，使晶片變得更小，也使用較少的連接材料，因而得以降低成本。

M3D為生產較小（小至10mm）的高效能組件提供了解決方案。這些高效能組件使用於對尺寸相當注重的應用上，例如：市面上各種組件密度大幅升高的無線和手持裝置。由於M3D技術能夠使用各種不同的材料創造出非常複雜的外形，因此用來生產主動和被動元件都適合，包括：電阻、電感、電容、濾波器、微型電池和微型天線，圖 5。極佳的邊緣清晰度和重複性，特別符合高頻使用的要求。與網印相比，M3D使嵌入式電阻的體積更小且更精確，此外不需使用雷射修整就可以調整電阻至正確的電阻值。由於導電材和絕緣材都可以使用M3D沉積，一次一層，因此具有直接嵌入被動元件的潛力。

溫度敏感性基板

當材料沉積之後，傳統的步驟需要使用高溫處理，包括：在迴焊爐或烤箱進行燒結，或進行化學分解過程。然而，M3D可以使用雷射局部針對基板沉積物進行燒結，例如：不耐高溫的聚合物（攝氏150度或以下），圖 6。邊緣清晰俱完整電子特性的高品質導電薄膜。

共形沉積

M3D可以精確地沉積在非平面的基板上。沉積頭的位置相當高（5mm+），除了沉積流外，沒有任何機具會接觸到基板，即輕易地完成共形沉積。因此可以在結構組件上建構三度空間的構造、沉積於溝槽內，圖 7，或填補高深寬比「孔洞」，也就是直徑50微米，深度500微米。這包括直接沉積在數種不同的材料上。M3D直接共形沉積銀連接線，接著用雷射進一步處理以達到所要求的特性。最新的M3D，已開發出內建Z軸的完整三度空間能力。

減少製程和環境的衝擊

由於M3D是加法製程，避免傳統減法製程（例如：微影和蝕刻）中廢料的產生，不僅對環境溫和，還降低了加工的要求。只要將精確的材料量沉積在需要的部位，無需包覆整個基板表面。另一項減少加工步驟和減少化學藥劑使用的應用，是製造連接線或其他構造的催化層方法，圖 8。FR-4基板標準製程中包括：浸泡塗佈、電鍍、微影、蝕刻和第二次電鍍等步驟。M3D可以直接沉積催化層後再進行標準電鍍，因此減少了製程的步驟，在這樣的過程中微影和蝕刻的步驟都省略了。

材料的使用效率

M3D所產生的極小的霧滴可用來製造極薄的膜層（也就是10's-100's奈米的厚度），如此使不同層間可以產生良好的交互作用。透過這些體積相同的千萬億分之一公升的小霧滴，我們可極精確地控制其施用劑量。由於許多化學材料都極其昂貴，M3D這項技術也將成為降低產品成本的關鍵。

結論

由於電腦輔助設計的出現，更成就了加法式製造技術，例如：M3D，此一概念勢必對許多工業造成重大的影響，包括電子業、航空業和生命科學。

M3D可以經濟且快速地將各種不同的材料沉積於許多不同形式的基板上。這樣的過程提供發展更先進的封裝解決方案、減少製程步驟的可能性、以及減少生產過程對環境造成的衝擊。設計人員可以充份利用M3D獨特的性能創造出革命性的設計，提供在時間、成本和品質上更大的優勢。

以下基材均確認可以正常使用

BT (Resin) – Rigid PCB's
FR-4 (Flame Resistant 4) – Rigid PCB's
Kapton (Polyimide Film) – Flex Circuits
Molybdenum (MO) Coatings [Glass or Silicon] – FPD Applications
Polyethylene Terephthalate (PET) – Flex Circuits
Silica (SiO2) – FPD and Semiconductor Applications
Silicon (Si) – Semiconductor Applications
Silicon Nitride (Si3N4) Coatings [Glass or Silicon] – FPD and Semiconductor Applications

使用 Aerosol Jet™ 之優勢

Aerosol Jet™ Advantages over inkjet

Wider material range (metals, alloys, resistor pastes, dielectrics, polymers, adhesives)
Smaller droplet size produces finer features
Superior throughput with higher material loading per droplet
High standoff height enables printing on non-planar surfaces
Much finer features size (10 microns) and tighter pitch (20 micron)

Aerosol Jet™ Advantages over screen printing

No Masks
Non contact printing eliminates substrate breakage
High standoff height enables printing on non-planar surfaces
Thinner layer deposits reduces material waste
Much finer feature size (10 microns) and tighter pitch (20 microns)