این پایاننامه به توسعه و ارزیابی یک ماده بستهبندی (Packaging Material) جدید بر پایه سیلیکات برای کاربرد در یکپارچهسازی ناهمگن سهبعدی (3D Heterogeneous Integration – 3D HI) و بستهبندی در سطح ویفر (Wafer-Level Packaging – WLP) در سامانههای ریزالکترونیکی میپردازد. انگیزه اصلی پژوهش، رفع محدودیتهای مواد بستهبندی رایج، بهویژه مواد اپوکسی (EMC)، و ارائه جایگزینی سازگار با فرآیندهای CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) است. در این تحقیق، با حذف سدیم از فرمولاسیون و استفاده از یک سامانه سیلیکاتی جدید مبتنی بر اتیل سیلیکات (Ethyl Silicate) و نانوذرات سیلیکا، مادهای توسعه یافته که ضمن حفظ ویژگیهای مطلوب مکانیکی و حرارتی، آلودگی یونی را به حداقل رسانده و قابلیت استفاده در تولید ریزتراشههای پیشرفته را فراهم میکند.
در ادامه، سازگاری این ماده با فرآیندهای متداول ریزساخت نظیر فوتولیتوگرافی (Photolithography)، اچ تر و خشک (Wet & Dry Etching)، عملیات پرداخت سطح، تمیزکاریهای شیمیایی و شرایط خلأ و دماهای بالا مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین ویژگیهای مهمی مانند ضریب انبساط حرارتی (Coefficient of Thermal Expansion – CTE)، تنش پسماند، زبری سطح، چسبندگی، ویسکوزیته، خواص دیالکتریک شامل ثابت دیالکتریک (Dielectric Constant) و تانژانت تلفات (Loss Tangent) و عملکرد فرکانس رادیویی (RF) اندازهگیری و تحلیل شدهاند.
در بخش کاربردی نیز پژوهش، توانایی این ماده را در ساخت موجبر همصفحه (Coplanar Waveguide – CPW)، پر کردن حفرههای با نسبت منظر بالا (High Aspect Ratio Gap Filling) و تولید ویفرهای بازساخته (Reconstituted Wafer) بهصورت نمونه اولیه نشان میدهد. نتایج بیانگر آن است که ماده پیشنهادی از پایداری حرارتی مناسب تا دمای ۴۰۰ درجه سانتیگراد، چسبندگی مطلوب به زیرلایههای سیلیکونی، تنش پسماند پایین و خواص دیالکتریک مناسب برای کاربردهای امواج میلیمتری (Millimeter Wave – mmWave) برخوردار است. در مجموع، این پژوهش نشان میدهد که ماده سیلیکاتی توسعهیافته میتواند گزینهای امیدوارکننده برای نسل آینده بستهبندی ریزالکترونیک، یکپارچهسازی سهبعدی و سامانههای مخابراتی پرسرعت باشد.
“`html
| فهرست مطالب | شماره صفحه |
|---|---|
| چکیده | 3 |
| قدردانی | 5 |
| فهرست مطالب | 7 |
| فهرست اختصارات و سرواژهها | 14 |
| فصل 1: مقدمه | 17 |
| 1-1. آینده فناوریهای ارتباطی | 17 |
| 1-2. یکپارچهسازی ناهمگن سهبعدی (3D Heterogeneous Integration – 3D HI) و بستهبندی در سطح ویفر (Wafer-Level Packaging – WLP) | 19 |
| 1-3. انگیزه پژوهش و اهداف پایاننامه | 22 |
| فصل 2: ماده بستهبندی سازگار با CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) | 23 |
| 2-1. الزامات ماده بستهبندی | 23 |
| 2-2. اصلاح شیمی ماده اتصالدهنده (Binder) | 25 |
| 2-3. سنتز ماده بستهبندی | 27 |
| 2-4. تحلیل آلودگی سدیم | 31 |
| 2-5. روشهای لایهنشانی (Deposition Methods) | 32 |
| فصل 3: سازگاری با فرآیندهای متداول ریزساخت (Microfabrication) | 38 |
| 3-1. سازگاری شیمیایی | 38 |
| 3-2. سازگاری حرارتی و خلأ | 42 |
| 3-3. پرداخت سطح (Polishing) | 44 |
| 3-4. الگودهی فوتولیتوگرافی (Photolithographic Patterning) | 47 |
| 3-5. فرایند اچ (Etching) | 50 |
| فصل 4: خواص و تحلیل ماده | 53 |
| 4-1. ویسکوزیته و میزان بارگذاری | 53 |
| 4-2. ضخامت و زبری سطح | 55 |
| 4-3. عملکرد چسبندگی | 58 |
| 4-4. تنش پسماند | 61 |
| 4-5. بازپخت (Annealing) و انبساط حرارتی | 64 |
| 4-6. خواص فرکانس رادیویی (Radio Frequency – RF) | 67 |
| فصل 5: کاربردها در تجهیزات RF و ریزالکترونیک | 69 |
| 5-1. ساخت موجبر همصفحه (Coplanar Waveguide – CPW) | 70 |
| 5-2. عملکرد پر کردن شکافها (Gap Fill Performance) | 71 |
| 5-3. ویفر بازساخته نمونه اولیه (Prototype Reconstituted Wafer) | 73 |
| فصل 6: نتیجهگیری و پیشنهادهایی برای پژوهشهای آینده | 76 |
| منابع | 78 |
| فهرست پیوستها | 85 |
| پیوست A: نگهدارنده نمونه برای ریختهگری تیغهای (Blade Casting) | 86 |
| پیوست B: آزمایشهای تکمیلی پوششدهی با پاشش فراصوتی (Ultrasonic Spray Coating) | 87 |
| پیوست C: الگوهای فوتولیتوگرافی برای ریزساخت | 98 |
| پیوست D: ایجاد فرورفتگی جانبی (Undercut) با فوتورزیست منفی | 99 |
| پیوست E: نتایج مدول دومحوره (Biaxial Modulus) | 100 |
| پیوست F: تصاویر تکمیلی پر کردن شکافها | 101 |
| پیوست G: تصاویر تکمیلی ویفرهای بازساخته | 102 |
“`
این پایاننامه با هدف توسعه یک ماده بستهبندی (Packaging Material) جدید برای نسل آینده ریزسامانههای الکترونیکی تدوین شده است؛ مادهای که بتواند نیازهای فناوریهای نوین یکپارچهسازی ناهمگن سهبعدی (3D Heterogeneous Integration – 3D HI) و بستهبندی در سطح ویفر (Wafer-Level Packaging – WLP) را برآورده کند. امروزه با گسترش فناوریهای ارتباطی، افزایش تعداد دستگاههای متصل و توسعه شبکههای 5G و 6G، نیاز به مدارهای مجتمع کوچکتر، سریعتر و با عملکرد بالاتر بیش از هر زمان دیگری احساس میشود. در این میان، فناوریهای بستهبندی سنتی دیگر پاسخگوی نیازهای نسل جدید ریزالکترونیک نیستند و محدودیتهایی مانند انبساط حرارتی زیاد، ایجاد تنش مکانیکی، تغییر شکل ویفر و ناسازگاری با برخی فرآیندهای ساخت باعث شده است که پژوهشگران به دنبال مواد جایگزین باشند.
نویسنده در ابتدا به بررسی روند پیشرفت فناوریهای مخابراتی و اهمیت استفاده از امواج میلیمتری (Millimeter Wave – mmWave) میپردازد. این باند فرکانسی به دلیل فراهم کردن نرخ انتقال داده بسیار بالا، یکی از پایههای اصلی شبکههای نسل پنجم و ششم محسوب میشود. با این حال، طراحی تجهیزات الکترونیکی مناسب برای این فرکانسها نیازمند تراکم بیشتر قطعات، کاهش فاصله بین اجزای مدار و استفاده از روشهای پیشرفته بستهبندی است. فناوری 3D HI امکان قرار گرفتن تراشههای مختلف روی یکدیگر را فراهم میکند و باعث کاهش ابعاد، افزایش سرعت انتقال سیگنال و بهبود عملکرد سیستم میشود. همچنین فناوری WLP بسیاری از مراحل مونتاژ را در سطح ویفر انجام میدهد و هزینه و پیچیدگی تولید را کاهش میدهد. اما اجرای موفق این فناوریها وابسته به وجود مواد بستهبندی با ویژگیهای کاملاً ویژه است.
در ادامه، پایاننامه مهمترین مشکلات مواد بستهبندی متداول، بهویژه ترکیبات اپوکسی (Epoxy Molding Compound – EMC) را بررسی میکند. اگرچه این مواد سالها در صنعت ریزالکترونیک مورد استفاده قرار گرفتهاند، اما ضریب انبساط حرارتی بالای آنها نسبت به سیلیکون موجب ایجاد تنش، خمشدگی ویفر و کاهش قابلیت اطمینان قطعات میشود. علاوه بر این، بسیاری از این مواد تحمل دمایی محدودی دارند و در فرآیندهای ساخت پیشرفته عملکرد مطلوبی ارائه نمیکنند. از سوی دیگر، در پژوهشهای قبلی مادهای بر پایه سیلیکات سدیم معرفی شده بود که از نظر خواص مکانیکی و حرارتی عملکرد بسیار خوبی داشت، اما به دلیل وجود یونهای سدیم، با فرآیندهای CMOS سازگار نبود. وجود سدیم در محیط ساخت تراشهها میتواند باعث مهاجرت یونها، تغییر ولتاژ آستانه ترانزیستورها و در نهایت خرابی مدارهای مجتمع شود. بنابراین بزرگترین هدف این پژوهش، حذف این مشکل و تولید مادهای بدون سدیم بوده است.
برای دستیابی به این هدف، پژوهشگر فرمولاسیون جدیدی ارائه میدهد که در آن به جای سیلیکات سدیم از اتیل سیلیکات (Ethyl Silicate) به عنوان ماده اتصالدهنده استفاده شده است. این ماده پس از انجام واکنشهای هیدرولیز و تراکم، ساختاری کاملاً سیلیکایی ایجاد میکند که از نظر شیمیایی پایدار بوده و فاقد یونهای سدیم است. همچنین از نانوذرات سیلیکا به عنوان پرکننده استفاده شده تا استحکام مکانیکی، قابلیت تولید لایههای ضخیم و پایداری ساختار افزایش یابد. در این پایاننامه نسبتهای مختلف مواد اولیه، نوع حلال، میزان آب، کاتالیزور اسیدی و درصد نانوذرات مورد بررسی قرار گرفته و چندین فرمول مختلف تهیه شده است تا بهترین ترکیب از نظر خواص فیزیکی و فرآیندی انتخاب شود.
پس از ساخت ماده، پژوهش وارد مرحله ارزیابی سازگاری آن با فرآیندهای متداول ریزساخت میشود. یکی از مهمترین بخشهای این پژوهش بررسی رفتار ماده در برابر عملیات شیمیایی مختلف است. نمونهها در معرض انواع حلالها، اسیدها، بازها، محلولهای شستوشوی صنعتی و پلاسما قرار گرفتند تا مشخص شود آیا ماده در شرایط واقعی تولید تراشهها پایداری لازم را دارد یا خیر. نتایج نشان داد که ماده پیشنهادی در برابر اغلب فرآیندهای رایج مقاومت مناسبی از خود نشان میدهد و تنها در برخی محیطهای بسیار قلیایی دچار آسیب میشود. این موضوع نشان میدهد که ماده میتواند بدون ایجاد تغییرات اساسی در خطوط تولید نیمههادی مورد استفاده قرار گیرد.
بخش دیگری از پژوهش به بررسی پایداری حرارتی اختصاص یافته است. نمونهها تا دمای ۴۰۰ درجه سانتیگراد گرم شدند و رفتار آنها از نظر تغییر شکل، کاهش جرم و تخریب ساختاری مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که ماده تا این دما پایدار باقی میماند و تغییرات قابل توجهی در ساختار آن مشاهده نمیشود. همچنین آزمایشهای خلأ نشان داد که ماده در شرایط فشار بسیار پایین نیز عملکرد مطلوبی دارد و میزان خروج گازهای محبوس در آن بسیار ناچیز است. این ویژگی برای کاربردهای فضایی، مخابراتی و تجهیزات فرکانس بالا اهمیت فراوانی دارد.
در ادامه، کیفیت سطح و قابلیت ماشینکاری ماده بررسی شده است. پژوهشگر نشان میدهد که پس از عملیات پرداخت، زبری سطح به مقدار بسیار کمی کاهش مییابد و سطحی مناسب برای انجام مراحل بعدی ریزساخت فراهم میشود. همچنین امکان انجام فوتولیتوگرافی با استفاده از فوتورزیستهای مثبت و منفی روی این ماده مورد آزمایش قرار گرفته و نتایج موفقیتآمیز بوده است. علاوه بر این، فرآیندهای اچ تر و اچ خشک نیز برای ایجاد الگوهای مختلف روی ماده انجام شده و نشان داده شده است که امکان ساخت ساختارهای میکرومتری با دقت مناسب وجود دارد.
یکی از مهمترین بخشهای پایاننامه بررسی خواص مکانیکی و حرارتی ماده است. پژوهشگر ویسکوزیته مخلوط، قابلیت تولید لایههای نازک و ضخیم، میزان چسبندگی به بستر سیلیکونی، تنش پسماند، ضریب انبساط حرارتی و میزان تغییر شکل ویفر را اندازهگیری کرده است. نتایج نشان میدهد که ماده جدید دارای ضریب انبساط حرارتی بسیار نزدیک به سیلیکون است؛ موضوعی که باعث کاهش تنشهای حرارتی و جلوگیری از خمشدگی ویفر میشود. همچنین مقدار تنش پسماند در لایههای ایجاد شده بسیار پایین گزارش شده که نسبت به بسیاری از مواد بستهبندی موجود یک مزیت مهم محسوب میشود. آزمایشهای چسبندگی نیز نشان میدهد که اتصال بسیار مناسبی میان ماده و زیرلایه سیلیکونی برقرار میشود و لایهها در فرآیندهای بعدی از سطح جدا نمیشوند.
در بخش دیگری از تحقیق، خواص الکتریکی و فرکانسی ماده بررسی شده است. از آنجا که هدف اصلی استفاده از این ماده در سامانههای فرکانس بالا و تجهیزات مخابراتی است، اندازهگیری ثابت دیالکتریک و تانژانت تلفات اهمیت ویژهای دارد. آزمایشها نشان دادند که ماده دارای ثابت دیالکتریک تقریباً ۴ و تانژانت تلفات بسیار پایین در فرکانس ۱۱۰ گیگاهرتز است. این ویژگیها باعث میشوند تلفات سیگنال کاهش یافته و انتقال امواج میلیمتری با کیفیت بالاتری انجام شود. بنابراین این ماده برای کاربردهای مرتبط با آنتنهای آرایه فازی، سامانههای مخابراتی نسل آینده و تجهیزات RF بسیار مناسب ارزیابی شده است.
برای اثبات کاربرد عملی ماده، پژوهشگر چند نمونه واقعی نیز تولید کرده است. نخست، یک موجبر همصفحه (Coplanar Waveguide – CPW) روی این ماده ساخته شد و عملکرد آن مورد ارزیابی قرار گرفت. سپس قابلیت پر کردن شکافهای عمیق با نسبت منظر بالا بررسی شد که نتایج بسیار مطلوبی به همراه داشت. در نهایت نیز نمونهای از ویفر بازساخته (Reconstituted Wafer) تولید شد تا نشان داده شود این ماده میتواند در فرآیندهای واقعی بستهبندی ریزتراشهها مورد استفاده قرار گیرد. موفقیت این نمونهها نشان میدهد که ماده پیشنهادی تنها در حد یک ایده آزمایشگاهی نیست و قابلیت استفاده در کاربردهای صنعتی را نیز دارد.
در مجموع، این پایاننامه موفق شده است مادهای جدید بر پایه سیلیکات معرفی کند که بسیاری از مشکلات مواد بستهبندی متداول را برطرف میکند. این ماده بدون سدیم بوده و با فناوری CMOS سازگار است، در دماهای بالا پایداری مناسبی دارد، ضریب انبساط حرارتی آن نزدیک به سیلیکون است، تنش پسماند کمی ایجاد میکند، از خواص دیالکتریک بسیار مناسبی برای فرکانسهای بالا برخوردار است و با اغلب فرآیندهای متداول ریزساخت سازگاری دارد. همچنین قابلیت تولید لایههای ضخیم، پر کردن شکافهای عمیق و ساخت ساختارهای پیچیده را داراست. نویسنده در پایان پیشنهاد میکند که در پژوهشهای آینده، امکان تولید این ماده در مقیاس صنعتی، بهینهسازی بیشتر خواص مکانیکی، بررسی عملکرد بلندمدت در شرایط کاری واقعی و استفاده از آن در انواع مختلف سامانههای ریزالکترونیکی مورد مطالعه قرار گیرد. به طور کلی، نتایج این تحقیق نشان میدهد که ماده توسعهیافته میتواند یکی از گزینههای بسیار امیدوارکننده برای نسل آینده فناوریهای بستهبندی ریزالکترونیک، مدارهای مجتمع سهبعدی و تجهیزات مخابراتی پرسرعت باشد.
بسیار سریع و ساده می توانید اصل این پایان نامه را به صورت فایل PDF در اختیار داشته باشید.