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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2016.tde-31122015-114204
Document
Author
Full name
Valtemar Fernandes Cardoso
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2014
Supervisor
Committee
Seabra, Antonio Carlos (President)
Lago, Claudimir Lucio do
Rubio, Mario Ricardo Gongora
Title in Portuguese
Integração de microssensores a microlaboratórios autônomos através de técnicas de montagem por viragem (Flip-Chip).
Keywords in Portuguese
Electroless
Eletroquímica
Flip-chip
ISFET
LTCC
Sensores químicos
SSB
µTAS
Abstract in Portuguese
Neste trabalho é apresentada a análise de técnicas para a integração de ISFETs (Ion Selective Field Effect Transitors), através do método de montagem por viragem (Flip-chip) usando pasta de solda livre de chumbo e epóxi condutivo de prata, com o objetivo de permitir sua aplicação em Microssistemas de Análise Total (µTAS). Para os testes de integração foram construídas estruturas em dois substratos, o FR-4, pelo método de ligação por fios (wire bonding), e o LTCC, que pode ser aplicado na construção de µTAS. Como os terminais de contato do ISFET tem seu acabamento superficial em alumínio não é possível realizar a montagem por viragem utilizando equipamentos SMT, sendo necessários processos intermediários. Dois processos que permitem o uso de equipamentos SMT foram aplicados: a remetalização, onde camadas de níquel e ouro são depositadas sobre o alumínio do terminal de contato, através do banho químico eletrolítico sem eletrodo (Electroless), e protuberâncias de solda (stud ou ball bumps), que são ligadas ao alumínio do terminal de contato pelo processo conhecido como Stud Ball Bumping (SBB). Na integração do ISFET foi feita a selagem dos terminais de contato e a abertura de uma janela que permite o contato da área ativa (região de porta) do ISFET com as soluções a serem analisadas. A selagem dos terminais de contato foi feita com o fotoresiste SU-8, e a abertura da área ativa foi feita diretamente sobre os substratos de FR-4 e LTCC. Ambos processos apresentaram soldabilidade com a pasta de solda apresentando ponto de refusão em torno de 250°C, indicando que equipamentos SMT podem ser aplicados na montagem por viragem. Verificou-se que o epóxi condutivo de prata foi curado a 100°C por uma hora e também pode ser aplicado na integração do ISFET. Por fim o SU-8 usado na selagem apresentou uma boa adesão aos substratos de FR-4 e LTCC, sendo curado na mesma etapa térmica da pasta de solda e/ou epóxi condutivo de prata ou após estes processos a 150°C por trinta minutos.
Title in English
Integration of microsensors in the autonomous microlaboratories through Flip-chip assembly techniques.
Keywords in English
Electroless
Flip-chip
ISFET
LTCC
SSB
µTAS
Abstract in English
In this work is shown the analysis of integration techniques of ISFET (Ion Selective Field Effect Transitor) through the Flip-chip method using lead-free solder paste and silver conductive epoxy, in order to allow its application in Micro Total Analysis System (µTAS). For integration tests two substrates have been made, the FR-4, as already used in the integration of the ISFET, but assembled through wire bonding method, and the LTCC that can be applied in the construction of µTAS. As the ISFET bonding pads has its surface finish in aluminum is not possible assembly through flip-chip method using SMT equipments, requiring intermediate processes. Two process that allow the use of SMT equipment were applied: the remetallization, where nickel and gold layers are deposited on the aluminum bonding pads, through the Electroless chemical baths, and stud or ball bumps, which are connected to bonding pads of aluminum by the process known as Stud Ball Bumping (SBB). In the ISFET integration should be made a seal in the bonding pads and a window that allows the contact of the active area (gate region) of ISFET with the solutions to be analyzed. The sealing of the bonding pads has been made with the photoresist SU-8 and the window of active area were made directly on the FR-4 and LTCC substrates. Both processes presented the solderability with the solder paste reflowed at 250°C, indicating that SMT equipments may be applied to the assembly through flip-chip method, the silver conductive epoxy was cured at 100°C for one hour and can also be applied in ISFET integration. Finally the SU-8 used to sealing have showed a good adherence to the FR-4 and LTCC substrates, being cured in the same thermal step of solder paste and/or silver conductive epoxy or after these processes at 150°C for thirty minutes.
 
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Publishing Date
2016-01-13
 
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