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可像塑料模型一样组装的5微米超薄半导体应变传感器芯片

2019年02月22日 化学材料
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近年来,可在塑料上制造的有机EL和有机光伏电池等采用有机半导体的可弯曲柔性电子备受关注。另一方面,构成现有传感器、放大器和集成电路等的硅半导体元器件虽然具备工作速度快、稳定性高的优点,但因厚度达300微米以上,而且比较坚硬,很难应用于柔性电子。因此,开发人员试着将现有半导体元器件的厚度减薄至5微米左右,并使其实现柔性化,不过,很难利用目前的半导体工厂中的切割锯以及用来搬运和安装的安装机进行切割和搬运,难以实现实用化。

此次新开发了像塑料模型那样在传感器与框架间设置分离部,只需轻轻一按即可分离搬运的技术。如图1所示,长方形芯片内侧的长方形部分是厚度为5微米的半导体传感器芯片,周围是厚度为400微米左右的框架。传感器芯片与框架之间的细梁就是分离部分。如图1(2)所示,通过安装机的零部件搬运部件——夹头从上方按一下,即可破坏分离部分,像塑料模型那样取下传感器。此时的关键技术是分离部分的机械结构设计。

可像塑料模型一样组装的5微米超薄半导体应变传感器芯片

图1:像塑料模型那样组装的超薄型(5微米)半导体应变传感器芯片

研发小组通过理论计算、模拟和实验对分离部分的机械强度进行了解析和优化。发现最好尽量减少分离部分的数量并缩窄宽度。在不进行优化的情况下,理论计算和数值模拟均显示,分离部分会受到破坏传感器的力,造成一定的破坏。实验结果也如图2所示,1×5mm的传感器芯片,分离部分为4处、宽度为20微米的话几乎能100%安装,如果是其他情况,以分离部分为中心,传感器会遭到破坏。

可像塑料模型一样组装的5微米超薄半导体应变传感器芯片

图2:柔性薄膜半导体应变传感器芯片

另外,研发小组还评估了图2中试制的半导体应变传感器的特性,确认作为半导体特征的传感器灵敏度指标“应变系数”高达100左右。而且,采用普通硅的半导体传感器无法弯曲,但图2的薄型半导体应变传感器经确认可以弯曲。

如上所述,本次开发确认了一种机械结构的设计方法,让力集中在分离部分,而不会施加给传感器和集成电路等半导体芯片部分。通过此次开发,可以制造和组装厚度只有5微米且可以弯曲的半导体芯片,有望为实现新一代高性能柔性电子做出贡献。尤其是半导体工艺和组装,可利用现有半导体工厂内的半导体制造工艺装置和安装装置,只需导入该设计方法,就能尽快实用化。

文 JST客观日本编辑部

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