2019 Fiscal Year Research-status Report
Heterogeneous System Integration of Flexible Electronics Based on Multi-Scale Stress Engineering
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19KK0101
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
福島 誉史 東北大学, 工学研究科, 准教授 (10374969)
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| 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, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (10633406)
清山 浩司 長崎総合科学大学, 工学研究科, 准教授 (60412722)
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| Project Period (FY) |
2019-10-07 – 2023-03-31
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| Keywords | FHE / FOWLP / フレキシブルデバイス / 応力 / 高分子材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
米国UCLAの電気工学科Distinguished Professor Subramanian Iyerと共同で開発した新構造フレキシブル・ハイブリッド・エレクトロニクス（FHE）の応力解析や曲げ特性の物理を探索し、信頼性の高いシステム集積を創出するための基盤技術研究を行う。我々が「FlexTrate」と名付けた先端ウエハレベルパッケージング技術を応用したこの高集積なFHEでは、厚さ100μm程度で小さく分割した集積回路チップ（チップレットと呼ぶ）をエラストマーに埋め込み、フォトリソグラフィを利用して高密度配線を形成してチップレット間を接続するので、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／電気的信頼性を取得してこの高集積FHEの有用性を工学的に体系化する。高伸縮性基板の変形によりかかる応力の作用機序を深く理解し、配線の信頼性の鍵を握る「応力緩衝層」の構造設計を追求し、デザインルールを策定する。東北大のシリコン貫通配線(TSV: Through-Silicon Via)を用いた三次元積層チップ(3D-IC)をチップレット化し、UCLAのシステム集積技術を融合させ、PDMS（Polydimethylsiloxane）に内蔵した医療用の高集積フレキシブルシステムを創製する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は、応力緩衝層(SBL: Stress Buffer Layer)の熱膨張係数CTEとヤング率、ガラス転移温度に着目し、ポリウレタン系とエポキシ系のSBLが曲げ特性に与える影響を評価した。評価試料には、厚さ100μm、一辺1mm角のSiチップを厚さ0.5mmのPDMSに内蔵させ、Die-first FOWLP (Fan-Out Wafer-Level Packaging)方式でSBL上にAu配線を形成した（厚さ500nm）。ヤング率が2.3GPaと0.9GPaのポリウレタン系SBLを比較した結果、硬い前者のSBLの方が曲げ特性が高く、曲げ半径10mm、曲げ速度50rpm、基板の圧縮方向に対する曲げを負荷した測定条件下、線幅10μmのAu配線は、1,000回以上の繰り返し曲げ試験を通過することができた。この原因は、高い伸縮性を有するPDMSの伸びに追従して配線が受ける応力をこの硬いSBLが緩和させた結果であると考察している。一方、一般的には硬くて脆いエポキシ樹脂の構造を修飾した医療用のフレキシブルエポキシ樹脂（ヤング率は2GPa程度）を採用することにより、LSIチップや一辺0.3mmを下回る微小なLEDを実装し、両者を電気的に接続することに成功した。有限要素法を用いたシミュレーションの結果では、チップサイズ4mmを超え、チップ間隔が0.2mmでは、チップ端部のPDMS上の配線にかかる応力が高まり、ひずみ65%に到達したが、チップサイズを1mm以下に抑え、チップ間隔が数mmまで広げるとそのひずみは5%程度に収まることが分かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、低応力でPDMS上に形成した配線の曲げ特性の向上を目指して、SBLのCTEとガラス転移温度に着目して材料設計を行い、プレストレッチなどの煩雑なプロセスを追加することなく立体的なシワ構造や三次元波状構造を導入して、ベンダブル(曲げ半径10mm以下)な構造からローラブル(曲げ半径5mm以下)、フォールダブル(曲げ半径1mm以下)、ストレッチャブル(伸び率が10%以上)を達成できる構造設計を、有限要素法によるシミュレーションと併用して実施する。また、応力中立軸を考慮して、フレキシブルデバイスで必須な表面保護膜の材料と構造の設計を同時に遂行する。これまでの知見から、ヤング率2GPa程度で厚さ7μmほどの表面保護膜とそれを介して配線と接続できるビアホールの形成ができれば、高い曲げ特性を有するFHEが創出できることになる。この設計思想の具現化を勧めながら、安定したFHEが作製できる要素技術を研究し、チップレットをベースとした新しいFHEの技術基盤を構築する。また、UCLAの協力を得て、高出力フレキシブルコイルなどを実装したワイヤレスFHEの創製を目指す。
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