2021 Fiscal Year Annual Research Report
Fundamental Study of In-Mold Electronics with Dielets and Development of Smart Skin Display
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21H04545
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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) |
木野 久志 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (10633406)
田中 徹 東北大学, 医工学研究科, 教授 (40417382)
ベ ジチョル 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (40509874)
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) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | FHE / マイクロLEDディスプレイ / 半導体パッケージング / 3D-IC / TSV |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高い柔軟性を有するフレキシブルデバイスの課題である性能を解決するため、微小な無機単結晶半導体チップ(チップレット)の概念を拡張した「ダイレット」をSiウエハ上で柔軟な樹脂に埋め込み圧縮成型するインモールド・エレクトロニクスの技術基盤を創成する。この新しい電子システム集積学を構築するため、毛髪の直径（100μm）以下の一辺を有する微小チップ（ここではMicro-LED）を目的の場所に搭載する超並列アセンブリの技術開発を行う。また、研究代表者が長年かけて学理の体系化に尽力した脳型の三次元積層集積回路（3D-IC）と微小チップのインテグレーションを基軸とし、従来の半導体技術では実現が難しい浅皮下生体情報（主に血管）可視化シートを作製する。本研究の成果は、電子デバイスの可能性を広げて電気電子工学や医工学分野の発展に大きく貢献するだけでなく、曲がるデバイスの応用に限らず、立体的なエレクトロニクスのシステム集積にインパクトをもたらす。本研究では、チップレットの概念を発展させ、受動素子やLED等の小型化するベアダイまで含めた「ダイレット」をウエハレベルでフレキシブル基板に埋め込んで成型し、微細配線でチップ間を短距離接続した高集積なインモールド・エレクトロニクスと呼ぶシステム集積方法論の技術基盤を創成する。基板レスで微細化でき、高性能で柔軟且つ立体成型可能なこの集積手法の鍵となるのは、微小チップ「ダイレット」の超並列アセンブリ技術とインターコネクト技術となる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
極小チップに対し、親水性／疎水性領域の濡れのコントラストを制御する技術を確立した。水と表面張力の高い高沸点溶剤の混合液体を採用し、液滴によるピックアップを導入し、自重によるチップの傾きを抑え、歩留り100%で0.1mm角のマイクロLEDチップを一括でアセンブリすることに成功した。ピックアップ基板にはリセス構造を設けることで臨界接触角を疑似的に拡大し、液体の閉じ込め効果を高められたことが歩留り、さらには高い精度を得る鍵となることが分かった。また、このアセンブリしたマイクロLEDを感光性樹脂構造体に常温で圧接して仮接着し、LEDの電極と基板を電解Cuめっきにより常温で電気的に接続できることを確認した。この新しいインターコネクト工程の歩留りはまだ低く完全ではないため、課題を抽出してTSVを有する薄化チップにヘテロ接合させる条件を次年度に導く。一方、血管可視化シートに使用するチップの設計を終え、現在試作中である。これにはLEDを駆動するためのドライバーとフォトダイオードを主に搭載している。このチップをPDMSに埋め込み、エラストマー上に多層配線と貫通配線を形成する技術創発の見通しも得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
めっき接合により、微小なマイクロLEDチップとフレキシブル基板、さらには3D-ICを接続するインターコネクト技術の完成度が低いため、仮固定樹脂の再設計と圧接条件の最適化、さらには配線の引き回し設計を検討して、短絡がないマイクロLEDの一括接続技術の確立を目指す。特にLEDの側面に成長しためっきCuが接触して短絡するケースや、圧接したLEDが傾いて仮固定樹脂との間に生じた間隙が不良の原因であることがわかったため、側壁保護や間隙を無くすための真空、あるいは昇温圧接などの操作条件、環境条件を探索する。設計したチップの三次元化に関しては、仮接着したチップがTSV形成の加熱工程でシフトしてしまう問題に直面している。それに対しては、接着剤の選定も含めてこのダイシフトが起こらない接着条件を追求することに加え、シフトしたチップでも高精度でリソグラフィが行えるような露光技術の開発に取り組む。また、システム設計に関しても着手し、表示用のマイクロLED（青色）以外に、参照用のミニLED（赤色、近赤外）の実装やアセンブリによる貫通配線の細線化も行う。
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