Heterogeneous System Integration of Flexible Electronics Based on Multi-Scale Stress Engineering

• Project/Area Number: 19KK0101
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 福島 誉史 東北大学, 工学研究科, 准教授 (10374969)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): マリアッパン ムルゲサン 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 学術研究員 (10509699) ; 木野 久志 東北大学, 医工学研究科, 特任准教授 (10633406) ; 清山 浩司 長崎総合科学大学, 工学研究科, 教授 (60412722)
• Project Period (FY): 2019-10-07 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000); Fiscal Year 2022: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2021: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2020: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2019: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: フレキシブルデバイス / マイクロLEDディスプレイ / 3D-IC / FOWLP / 常温接合 / 応力制御 / FHE / 人工網膜 / 三次元実装 / TSV / 無線給電 / 埋め込みデバイス / 応力解析 / 応力エンジニアリング / ウエハレベルパッケージ / PDMS / マイクロXRD / 応力 / 高分子材料 / フレキシブルコイル

Outline of Research at the Start

本研究の高集積FHEでは、厚さ100μm程の微小Siチップ(チップレット)をエラストマーに埋め込み、ウエハレベルで高密度配線を形成してチップ間を接続する集積形態をとり、フレキシブルデバイスの性能とスケーラビリティを格段に高めることができる。本研究では、分子レベル、材料レベル、システムレベルの階層的なマルチスケール応力エンジニアリングを駆使し、機械的／電気的信頼性を解析してこの高集積FHEの有用性を工学的に体系化する。我々のSi貫通配線(TSV)を用いた三次元積層チップ(3D-IC)技術とUCLAのシステム集積技術を融合させ、我々の高集積フレキシブル人工網膜システムを動物実験にまで到達させる。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、これまで行った原子レベル、材料レベルの応力解析に続いて配線のトポグラフィーに着目しての応力解析を行った。特に埋め込みチップ間を接続するファンアウト配線の曲げに対する安定性を評価するため、材料物性学的な観点からマイクロコルゲーションの感光性材料を比較検討し、従来のSU-8に対してヤング率（GPa）が低く、破断曲げ伸長率（％）の高いソルダーレジスト系の樹脂を用い、三次元的な波状構造を有するAu配線の形成に成功した。また、SU-8では、断面が台形状(Trapezoidal)、または半円状(Serpentine)のコルゲーション構造を形成するために、大過剰な露光量やグレースケール化による検討を試みたが、いずれも所望の構造を効率よく形成することができなかった。そこで、Flexible Photosensitive Dielectric (F-PD)を用いてリソグラフィ条件を最適化したところ、希釈TMAHを用いて理想的な半円状(Serpentine)のマイクロコルゲーションを得ることができた。この原因は、F-PDの分子構造に起因している。露光部が架橋してもアルカリ溶液に可能な機能性の官能基を有するF-PDでは現像液に露光部・未露光部の境界で溶解したからであると考えられる。これにより、システムを構成する重要な構成要素である多層のファンアウト配線にかかる応力を、材料物性学的な観点から応力緩衝層のヤング率と応力中立軸設計を施すことによって軽減でき、且つ三次元波状構造によって僅かな伸縮性も付与することができた。これにより、低応力で高い信頼性を有する新構造フレキシブル・ハイブリッド・エレクトロニクス（FHE)の作製に資する技術を創出できたと言える。

Research Products

• [Int'l Joint Research] UCLA(米国)
• [Int'l Joint Research] UCLA(米国)
• [Int'l Joint Research] UCLA(米国)
• [Journal Article] * Bendability Enhancement of 3D Interconnections with Out-of-plane Corrugation for Flexible Hybrid Electronics (2024)
  • Author(s): Chang Liu, Tadaaki Hoshi, Jiayi Shen, Atsushi Shinoda, Hisashi Kino, Tetsu Tanaka, and Takafumi Fukushima
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 63
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laue microdiffraction evaluation of bending stress in Au wiring formed on chip-embedded flexible hybrid electronics (2021)
  • Author(s): M. Mariappan, Y. Susumago, K. Sumitani, Y. Imai, S. Kimura, T. Fukushima
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Issue: SB Pages: SBBC02-SBBC02
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abdb81
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Significant Die-Shift Reduction and μLED Integration Based on Die-First Fan-Out Wafer-Level Packaging for Flexible Hybrid Electronics (2020)
  • Author(s): Takafumi Fukushima , Yuki Susumago, Zhengyang Qian, Chidai Shima, Bang Du, Noriyuki Takahashi, Shuta Nagata, Tomo Odashima, Hisashi Kino, and Tetsu Tanaka,
  • Journal Title: IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS, PACKAGING AND MANUFACTURING TECHNOLOGY Volume: 10 Issue: 8 Pages: 1419-1422
  • DOI: 10.1109/tcpmt.2020.3009640
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A new DSA technological dawn (2020)
  • Author(s): Takafumi Fukushima
  • Journal Title: Impact Volume: February Issue: SG Pages: 1-3
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab75b8
• [Presentation] * 3D Interconnect Technology with Serpentine and Trapezoidal Corrugation Using a Flexible Photosensitive Dielectric to Strengthen the Bendability of FHE (2024)
  • Author(s): C. Liu, J. Shen, A. Shinoda, H. Zhang, T. Tanaka, and T. Fukushima
  • Organizer: Proceedings of the 73rd Electronic Components and Technology Conference (ECTC 2024)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] * High-Bendable 3D Corrugated Interconnections for Chiplet-Embedded Flexible Hybrid Electronics Using Wafer-Level Packaging (2023)
  • Author(s): Chang Liu, Tadaaki Hoshi, Jiayi Shen, Atsushi Shinoda, Zehua Du, Hisashi Kino, Tetsu Tanaka, and Takafumi Fukushima
  • Organizer: Extended Abstracts of the 2022 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Flexible FOWLP-based 3D Heterogeneous Integration for Biomedical/Healthcare FHE Application (2023)
  • Author(s): Takafumi Fukushima
  • Organizer: Materials Research Society-Taiwan International Conference (2023 MRSTIC)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-Bendable 3D Corrugated Interconnections for Chiplet-Embedded Flexible Hybrid Electronics (FHE) Using Wafer-Level Packaging (2023)
  • Author(s): Chang Liu, Tadaaki Hoshi, Jiayi Shen, Atsushi Shinoda, Zehua Du, Hisashi Kino, Tetsu Tanaka, and Tak Fukushima
  • Organizer: The 4th UCLA CHIPS Workshop (CHIPS: Center for Heterogeneous Integration and Performance Scaling
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Finite Element Study of Stretchable Corrugated Interconnections on Chiplet-Embedded Flexible Hybrid Electronics (2022)
  • Author(s): Chang Liu, Hisashi Kino, Tetsu Tanaka, and Takafumi Fukushima
  • Organizer: Flex2022 (2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simulation and Experimental Study of Stretchable 3D Corrugated Interconnections for Chiplet- Embedded Flexible Hybrid Electronics Using Wafer-Level Packaging (2022)
  • Author(s): Liu Chang, Yuki Susumago, Tadaaki Hoshi, Hisashi Kino, Tetsu Tanaka, and Takafumi Fukushima
  • Organizer: 2022 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM), 715-716(2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-mold Flexible Hybrid Electronics (iFHE) Based on Holistic System Integration with FOWLP, 3D-IC/TSV, and Chiplets (2022)
  • Author(s): Takfumi Fuksuhima
  • Organizer: The 20th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications (ISPSA 2022), Session 8. Industrial semiconductor applications (ISA),
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 新たな実装技術で創るフレキシブルデバイス「インモールド・フレキシブル・ハイブリッド・エレクトロニクス(iFHE)」 (2022)
  • Author(s): 福島 誉史
  • Organizer: 一般社団法人日本電子回路工業会（JPCA）主催「電子機器トータルソリューション展2022 （旧JPCA Show 2022）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 埋込型医療機器向け無線給電の設計 (2022)
  • Author(s): 清山 浩司, 福島 誉史, 木野 久志, 田中 徹
  • Organizer: 2022年度 電子情報通信学会総合大会
  • Invited
• [Presentation] 三次元実装／TSV を基盤とした ヘテロインテグレーション技術の研究開発動向 (2022)
  • Author(s): 福島 誉史
  • Organizer: 2022年度 電子情報通信学会総合大会
  • Invited
• [Presentation] Wafer-Level Flexible 3D Corrugated Interconnect Formation for Scalable In-Mold Electronics with Embedded Chiplets (2021)
  • Author(s): Tomo Odashima, Yuki Susumago, Shuta Nagata, Hisashi Kino, Tetsu Tanaka, and T. Fukushima
  • Organizer: Proceedings of the 71st Electronic Components and Technology Conference (ECTC 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] チップレット内蔵インモールドエレクトロニクス用フレキシブル基板の細線化 (2021)
  • Author(s): 小田島 輩, 煤孫 祐樹, 王 喆, 木野 久志, 田中 徹, 福島 誉史
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Heterogeneous, 3D, & Flexible System Integration Technology Based on Chiplet-on-Wafer Assembly (2021)
  • Author(s): 福島 誉史
  • Organizer: 電子実装工学研究所（IMSI）接合界面創成技術研究会(LTB-3D 研究会 旧学振191研究会）
  • Invited
• [Presentation] Chiplet-Based Advanced Packaging Technology from 3D/TSV to FOWLP/FHE (2021)
  • Author(s): 福島 誉史
  • Organizer: IEEE Solid-State Circuits Society (SSCS) Kansai Chapter 主催「2021 Symposia on VLSI Technology 国内報告会」
  • Invited
• [Presentation] ホリスティック・システム・インテグレーションに向けた三次元実装の技術動向と課題 (2021)
  • Author(s): 福島 誉史
  • Organizer: エレクトロニクス実装学会(JIEP) 先端ファブリケーション研究会主催 第8回公開研究会
  • Invited
• [Presentation] Die-first and RDL-first FOWLP Processing for Flexible Hybrid Electronics (2021)
  • Author(s): Takafumi Fukushima, Yuki Susumago, Noriyuki Takahashi, Hisashi Kino, and Tetsu Tanaka
  • Organizer: IMAPS (International Microelectronics Assembly and Packaging Society) 17th International Conference on Device Packaging, 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] チップレットを基盤とした三次元集積の技術動向とフレキシブルデバイスの高集積化 (2021)
  • Author(s): 福島 誉史
  • Organizer: システムデバイスロードマップ委員会(SDRJ)主催 2021年度第4回Beyond CMOS & More Than Moore合同委員会
  • Invited
• [Presentation] Flexible In-Mold Electronics: Advanced FHE Technologies and Applications (2021)
  • Author(s): Takafumi Fukushima
  • Organizer: 2021FLEX
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 3-Color Micro-LED Integration for Flexible Display Based on Die-First Fan-Out Wafer-Level Packaging Technology (2021)
  • Author(s): Zhe Wang, Yuki Susumago, Tomo Odashima, Noriyuki Takahashi, Hisashi Kino, Tetsu Tanaka, Takafumi Fukushima
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演予稿集
• [Presentation] UV-LED内蔵ハイドロゲルフレキシブル基板を用いた殺菌絆創膏の作製と評価 (2021)
  • Author(s): 高橋 則之, 煤孫 祐樹, 王 喆, 小田島 輩, 木野 久志, 田中 徹, 福島 誉史
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演予稿集
• [Presentation] Wafer-Level 3D Wrinkling Interconnect Formation for Scalable Flexible In-Mold Electronics (2021)
  • Author(s): Shuta Nagata and Takafumi Fukushima
  • Organizer: Flex2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hydrogel-Based FHE Patch Using RDL-first FOWLP for UV Sterilization (2021)
  • Author(s): Noriyuki Takahashi and Takafumi Fukushima
  • Organizer: Flex2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] RDL-first Flexible FOWLP Technology with Dielets Embedded in Hydrogel (2020)
  • Author(s): N. Takahashi, Y. Susumago, S. Lee, H. Kino, T. Tanaka, and T. Fukushima,
  • Organizer: The 69th Electronic Components and Technology Conference (ECTC 2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of bending stress in Au-wiring formed over FHE by micro-XRD (2020)
  • Author(s): M. Murugesan, Y. Susumago, T. Odashima, H. Kino, T. Tanaka, K. Sumitani, Y. Imai, S. Kimura, and T. Fukushima
  • Organizer: The 2020 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Micro-LED and PPG Sensor Integration Using Flexible Fan-Out Wafer-Level Packaging for Trans-Nail Pulse-Wave/SpO2 Monitoring (2020)
  • Author(s): Tomo Odashima, Yuki Susumago, Qian Zhengyang, Noriyuki Takahashi, Shuta Nagata, Hisashi Kino, Tetsu Tanaka, and Takafumi Fukushima
  • Organizer: The 2020 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 先端ウエハレベルパッケージング技術による新構造FHEの開発 (2020)
  • Author(s): 福島誉史
  • Organizer: コンバーティングテクノロジー総合展2020」新機能性材料展 / JFlex / 3次元表面加飾技術展 セミナー
• [Presentation] Multilithic 3D and Heterogeneous Integration Using Capillary Self-Assembly (2020)
  • Author(s): Takafumi Fukushima
  • Organizer: 4th IEEE Electron Devices Technology and Manufacturing Conference (EDTM)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] FOWLP-based Flexible Hybrid Sensor Systems with Dieletsand 3D-IC (2019)
  • Author(s): Takafumi Fukushima
  • Organizer: The 18th International Symposium on Microelectronics and Packaging and 21st International Conference on Electronic Materials and Packaging (ISMP-EMAP 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] 次世代ウェアラブルデバイスに向けたフレキシブル・伸縮性エレクトロニクス技術とセンサ開発 執筆担当部分: 第2章 フレキシブル・伸縮性センサ・デバイス・システムの開発動向, 第９節 高集積フレキシブル・ハイブリッド・エレクトロニクス（FHE）技術 (2024)
  • Author(s): 福島誉史
  • Total Pages: 19
  • Publisher: Science & Technology
• [Patent(Industrial Property Rights)] 東北大学, 半導体装置の製造方法、半導体装置を備えた装置の製造方法、半導体装置、半導体装置を備えた装置 (2020)
  • Inventor(s): 福島誉史, 田中徹, 木野久志, 煤孫祐樹
  • Industrial Property Rights Holder: 福島誉史, 田中徹, 木野久志, 煤孫祐樹
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2020
  • Overseas