【半导体材料】“卡脖子材料”聚酰亚胺到底有多独特？

文摘 2024-12-12 23:59 江苏

从绝缘体到封装材料，从多层互连的平坦层到多芯片模块的关键组件，聚酰亚胺以其多样化的形式和卓越的性能，在微电子产业的发展历程中书写了浓墨重彩的一笔。聚酰亚胺、碳纤维及芳纶纤维材料一起称为制约我国发展高技术产业的三大 “卡脖子 ” 高分子材料。本文将走进聚酰亚胺材料的世界，深入探索其材料特性、加工种类以及在微电子与MEMS领域的应用，看看“卡脖子材料”聚酰亚胺到底有多独特？

希望常见面的话，点击上方即刻关注，设为星标！

一、聚酰亚胺的多样化学结构与性能

聚酰亚胺这一高性能聚合物，可以具有脂肪族（线形）或芳香族（环形）的化学结构，展现出热固性或热塑性行为。自1908年第一种芳香族形式的聚酰亚胺合成以来，聚酰亚胺化学的进步使其形式更加多样化，包括体式（薄膜或使用压敏胶粘合的带子）或旋涂式（光敏材料和非光敏材料）。这些多样化的形式，为聚酰亚胺在微电子领域的应用提供了广阔的空间。

聚酰亚胺的最终化学结构是通过高温（约300～500℃）烘烤聚酰胺基酸预聚物使其发生酰胺化而得到的。聚酰胺酸可以溶解在极性无机溶剂中，如N-甲基吡咯烷酮（NMP）、二甲基甲酰胺（DMF）和二甲亚矾（DMSO）。亚胺化反应去除了这些溶剂，呈现出芳香式闭环结构，从而赋予了聚酰亚胺卓越的热稳定性和化学稳定性。

二、聚酰亚胺的材料特性

聚酰亚胺之所以能够在微电子领域占据一席之地，离不开其卓越的材料特性。早期，聚酰亚胺因其低杨氏模量和作为柔性衬底的能力，被广泛应用于MEMS领域。这种柔性衬底在生物医学应用上具有生物相容性和生物稳定性的潜力，为植入式微电极等生物医学器件提供了可靠的支持。

然而，值得注意的是，尽管聚酰亚胺的生物相容性得到了初步验证，但一些制造商仍然明确表示禁止将其聚酰亚胺用在可植入器件上。此外，相比其他的薄膜聚合物（如聚对二甲苯和聚二甲基硅氧烷PDMS），聚酰亚胺显得较硬，可能在一定程度上引起微小的神经组织损坏。因此，在选择聚酰亚胺作为生物医学器件材料时，需要综合考虑其生物相容性、机械性能以及应用场景的需求。

除了生物相容性外，聚酰亚胺还具有高的玻璃转化温度、高的热和化学稳定性、低介电常数、高机械强度、低吸水性和高耐溶剂性等显著特征。这些功能组合使聚酰亚胺在微电子领域具有广泛的应用前景，如用作陶瓷的替换物、耐化学的电镀膜以及牺牲层等。

更多产品和服务可戳公司官网：https://www.si-era.com/

三、聚酰亚胺多样化的加工技术

聚酰亚胺的去除

尽管湿法去除固化聚酰亚胺很困难，但化学去除固化和未固化的聚酰亚胺是可能的。对于固化的聚酰亚胺，可以采用热碱和强酸进行去除；对于未固化的聚酰亚胺，则可以使用氢氧化钾（KOH）进行大量去除。此外，干法刻蚀是去除聚酰亚胺的较有效方法，包括氧等离子体刻蚀和反应性离子刻蚀等。这些刻蚀技术可以通过优化工艺参数（如气体浓度、等离子功率和环境压强）来控制刻蚀侧壁的角度，从而得到更高的分辨率。

聚酰亚胺的释放

聚酰亚胺的释放技术是实现柔性电子器件和微机电系统（MEMS）器件的关键步骤之一。最简单的释放技术就是把聚酰亚胺从硅片上剥离下来。此外，还可以采用牺牲层技术来促进聚酰亚胺的释放。常用的牺牲材料包括硅衬底、氧化层、铝、电镀铜、铬和钛等。这些牺牲材料可以通过化学腐蚀或阳极溶解等方法进行去除，从而实现聚酰亚胺的释放。

键合技术

聚酰亚胺还可以作为粘合层，用于实现不同材料之间的键合。例如，可以采用射频介质加热旋涂聚酰亚胺薄膜的方法，使其粘附到硅片上；也可以采用完全固化和化学机械抛光聚酰亚胺的静电键合方法。这些键合技术为聚酰亚胺在微电子领域的应用提供了更多的可能性。下图展示了使用聚酰亚胺键合的热喷墨打印头。

四、聚酰亚胺在微电子与MEMS领域的广泛应用

聚酰亚胺作为一种高性能聚合物，在微电子与MEMS领域具有广泛的应用前景和巨大的发展潜力。其多样化的化学结构、卓越的材料特性和多样化的加工技术，为聚酰亚胺在微电子领域的应用提供了广阔的空间和无限的可能。在微电子领域，聚酰亚胺可以作为绝缘体、封装材料和多层互连的平坦层等关键组件，为微电子器件的稳定性和可靠性提供了有力保障。在MEMS领域，聚酰亚胺则以其柔性、生物相容性和多功能性等特性，成为柔性电极阵列、生物传感器和微执行器等器件的理想材料。

未来，随着纳米技术和生物技术的不断进步，聚酰亚胺在微电子与MEMS领域的应用将会更加广泛和深入。例如，可以利用聚酰亚胺的柔性特性，开发更加灵活和可穿戴的电子器件；可以利用其生物相容性，开发更加安全和可靠的生物医学器件；还可以利用其多功能性，开发更加智能和高效的微机电系统。

点赞+在看

分享给小伙伴吧！↓

微纳研究院

硅时代提供全方位的技术服务,可提供MEMS芯片定制设计开发、集成电路芯片设计、MEMS芯片工艺验证、MEMS芯片小批量试制、MEMS芯片中试化量产、MEMS芯片封装方案设计等系统解决方案,提供MEMS设计、加工、测试等单步或多步工艺实验开发

最新文章

【职来职往】PIE制程整合工程师需要做些什么？

【MEMS器件】神奇的微泵——构成微流体系统的重要部件

【十万个为什么】为什么晶体管接触孔一般不用铜来填充？

【芯辰大海】什么是叉指电极？

【半导体材料】硅单晶中的微缺陷是如何影响器件性能的？

【MEMS工艺】超越传统离子注入的等离子体掺杂工艺

【微纳加工】溅射薄膜式压力传感器的工艺流程是怎么样的？

【芯辰大海】湿法刻蚀工艺

【热点资讯】共达电声与无锡韦感达成股权合作，布局MEMS领域！

【芯片封装】陶瓷封装工艺流程详解

【十万个为什么】为什么晶圆划片使用的UV胶带会失粘？

【芯辰大海】封装——倒装键合Flip Chip Bonding