プラモデルのように組み立てる超薄型(5マイクロメートル)半導体ひずみセンサチップ

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次世代型高性能フレキシブルデバイスの機械構造設計、精密組み立て技術

2019-02-14  産業技術総合研究所

発表のポイント

  • 厚さわずか5マイクロメートルで曲げられる超薄型半導体ひずみセンサチップを、一般的な半導体製造プロセスを用いて大量に一括製造後、実装機と呼ばれる精密組み立て装置でプラモデルのように1つずつ切り離して電子回路上に配置配線する技術を開発した。
  • 本研究の超薄型半導体ひずみセンサチップの構造は、周りの枠と細い切り離し部でつながったプラモデルと同様の形状である。センサチップは壊れないが切り離し部分だけ切断されるように機械構造設計を行い、プラモデルのようにセンサチップを切り離して電子回路上に貼ることに成功した。
  • 本手法は、現在のウェアラブルデバイスやスマートウォッチのセンサ、集積回路などが入った硬い半導体部分を、超薄型にして柔らかくすることを可能とする技術であり、次世代高性能フレキシブルエレクトロニクス実現への貢献が期待される。

発表概要

東京大学大学院新領域創成科学研究科の高松誠一准教授、伊藤寿浩教授と産業技術総合研究所集積マイクロシステム研究センターの山下崇博主任研究員、小林健研究チーム長らの研究グループは、厚さわずか5マイクロメートルの超薄型半導体ひずみセンサチップ(注1)を、実装機(注2)と呼ばれる精密組み立て装置を用いて、プラモデルのパーツのように1つずつ切り離して回路上に配置配線する技術を開発した。従来の半導体センサチップは、300マイクロメートル以上と厚く硬いため、ダイシングソー(注3)と呼ばれるのこぎり歯のついた装置で切り、実装機で搬送していた。本開発のセンサチップは5マイクロメートルと極薄であり、従来法ではチップが破壊される問題があった。そのため、プラモデルのようにセンサと枠の間に切り離し部を設け、弱く押すだけで切り離して搬送できる機械構造設計と精密組み立て技術を開発した。特に、切り離し部分に力が集中し、センサや集積回路部分には力がかからない構造の設計方法を確立した。本研究成果により、5マイクロメートルという非常に薄く、曲げることができる半導体チップの製造、組み立てが可能となり、次世代高性能フレキシブルエレクトロニクス実現への貢献が期待される。

発表内容

近年プラスチック上に製造可能な有機ELや有機太陽電池のような有機半導体を用いた屈曲可能なフレキシブルエレクトロニクス(注4)が注目を集めている。一方で、既存のセンサやアンプ、集積回路などを構成するシリコンを用いた半導体デバイスは動作速度や安定性が高い利点があったが、300マイクロメートル以上と厚く硬いため、フレキシブルエレクトロニクスへの適用が困難であった。そのため、既存の半導体デバイスを5マイクロメートル程度と非常に薄くしてフレキシブル化することが試みられてきたが、切断や搬送を現在の半導体工場にあるダイシングソーという切断装置や搬送や配置を行う実装機で行うことが難しく、実用化が困難であった。

本開発では、プラモデルのようにセンサと枠の間に切り離し部を設け、弱く押すだけで切り離して搬送できる技術を新たに開発した。図1に示すように、長方形のチップの内側の長方形部分が厚さ5マイクロメートルの半導体センサチップであり、周りは厚さ400マイクロメートル程度の枠である。センサチップと枠の間にある細い梁が切り離し部分である。図1(2)のように、上から実装機のコレットと呼ばれる部品搬送部品で押して、切り離し部分を壊してプラモデルのようにセンサを取り外す。この際カギとなる技術は、切り離し部分の機械構造設計である。切り離し部分の機械的強度を理論的、シミュレーション、実験から解析し、最適化を行った。その結果、切り離し部分の数と幅をできるだけ少なく、細くすればいいことが分かった。この最適化が行われない場合は、切り離し部分で、センサを割る方向の力がかかり壊れることが理論計算と数値シミュレーションから示された。実験的にも、図2のように1×5 mmのセンサチップについては、切り離し部分が4本で幅が20マイクロメートルであればほぼ100%で実装できるが、それ以外の場合には切り離し部分を中心にセンサが割れてしまうことが分かった。

また、試作した図2のような半導体ひずみセンサとしての特性を評価し、半導体の特徴であるセンサ感度指標「ゲージ率(注5)」が100程度と高いことを確認した。さらに、通常のシリコンを用いた半導体センサは曲げることができないが、図2のように薄型半導体ひずみセンサは曲げることが可能であることを確認した。

このように、本開発では切り離し部分に力が集中し、センサや集積回路等半導体チップには力がかからない機械構造の設計方法を確立した。本開発により、5マイクロメートルという非常に薄く、曲げることができる半導体チップの製造、組み立てが可能となり、次世代高性能フレキシブルエレクトロニクス実現への貢献が期待される。特に、半導体プロセスや組み立ては既存の半導体工場にある半導体製造プロセス装置や実装装置を用いているため、本設計手法を取り入れるだけで早期に実用化が可能となると考えられる。

本研究成果は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の委託事業の結果得られたものである。

発表雑誌

雑誌名:「Scientific Reports」(オンライン版:2月13日付)
論文タイトル:Plastic-scale-model assembly of ultrathin film MEMS piezoresistive strain sensor with conventional vacuum-suction chip mounter
著者:Seiichi Takamatsu, Shintaro Goto, Michitaka Yamamoto, Takahiro Yamashita, Takeshi Kobayashi, and Toshihiro Itoh
DOI番号:10.1038/s41598-019-39364-2
アブストラクトURL:www.nature.com/articles/s41598-019-39364-2

添付資料

図1

図1 プラモデルのように組み立てる超薄型(5マイクロメートル)半導体ひずみセンサチップ

図2

図2 フレキシブルな薄膜半導体ひずみセンサチップ

用語解説

(注1)超薄型半導体ひずみセンサチップ
半導体製造技術を使った高感度ひずみセンサで、厚み5 マイクロメートル超薄型センサのこと。
(注2)実装機
電子部品や半導体チップを吸着し、プリント基板などの電子回路上の所望の位置に搭載する装置のこと。
(注3)ダイシングソー
半導体を製造したシリコンとよばれる基板を歯のついたブレードを回転させながら押しあて切断する機械のこと。
(注4)フレキシブルエレクトロニクス
機械的に柔軟で、曲げることができる電子機器のこと。例えば、曲げることができるディスプレイやスマートフォンなどのこと。
(注5)ゲージ率
ひずみセンサは、ひずみがかかった時にセンサの電気抵抗値が変化することを検知している。ひずみに対する電気抵抗値変化の比をゲージ率といい、センサの性能を示す指標のこと。
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