Nuovo metodo HMNL: la stampa 3D entra nel packaging avanzato dei chip
Un gruppo di ingegneri dell’Università del Texas a Austin sta guidando un consorzio accademico-industriale che punta a cambiare in modo profondo il modo in cui vengono realizzati i pacchetti elettronici per i semiconduttori. Il fulcro del progetto è un nuovo metodo chiamato Holographic Metasurface Nano-Lithography (HMNL), che utilizza ottica di metasuperfici e resine ibride metallo-polimero per creare strutture elettroniche complesse in un unico passaggio di esposizione.
L’obiettivo è duplice: da un lato ridurre tempi e passaggi della produzione elettronica avanzata, dall’altro abilitare geometrie e funzioni impossibili con i processi planari tradizionali, aprendo la strada a pacchetti 3D più compatti, efficienti e integrabili in forme non convenzionali.
Come funziona la Holographic Metasurface Nano-Lithography
Alla base di HMNL c’è l’impiego di metasuperfici, maschere ottiche ultrafini in cui il fronte d’onda della luce viene controllato da pattern sub-lunghezza d’onda.
Nel processo sviluppato dal Nanoscale Design and Manufacturing Laboratory di UT Austin, queste metasuperfici vengono progettate come “metamask” olografiche: quando illuminate, generano ologrammi tridimensionali che scrivono direttamente nel volume di una resina ibrida metallo-polimero.
Alcuni elementi chiave del metodo:
Patterning volumetrico in un solo step
L’ologramma prodotto dalla metasuperficie consente di definire intere strutture 3D multi-materiale con una singola esposizione. Non si procede più per sovrapposizione di strati e maschere, ma con una sorta di “stampa olografica” dell’oggetto completo.
Risoluzione nanometrica su aree centimetriche
Il laboratorio ha dimostrato strutture con risoluzione di circa 500 nm su superfici superiori a 30 × 30 mm², superando limiti tipici di altre tecniche olografiche basate su modulatori spaziali della luce.
Multi-materiale tramite lunghezze d’onda diverse
Le metasuperfici sono progettate per produrre pattern differenti a seconda della lunghezza d’onda della luce usata.
La resina reagisce in modo diverso:
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con UV forma strutture metalliche conduttive,
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con visibile polimeri isolanti.
In questo modo si ottengono compositi metallo-isolante 3D con velocità di fabbricazione superiori a 20 mm³/s.
Perché cambiare il packaging dei semiconduttori
Nei flussi di produzione attuali, l’elettronica viene realizzata attraverso un lungo susseguirsi di operazioni: deposizione, litografia, incisione, planarizzazione, nuovi allineamenti e nuovi cicli di lavorazione. Ogni livello richiede maschere specifiche e passaggi ripetuti, con costi elevati e tempi molto lunghi.
Il packaging avanzato – come fan-out, 2.5D/3D IC e integrazioni eterogenee – rappresenta un collo di bottiglia per tre motivi:
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densità e tridimensionalità crescenti delle strutture;
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necessità di combinare materiali molto diversi;
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scarsa flessibilità geometrica dei processi planari.
Il team guidato da Michael Cullinan punta con HMNL a passare da una fabbricazione “layer-by-layer” a una “volume-by-volume”: un singolo passaggio olografico definisce conduttori, isolanti, cavità e funzioni integrate. Per nuovi design, ciò può ridurre la catena di produzione da mesi a pochi giorni.
Il consorzio industriale e il finanziamento DARPA da 14,5 milioni di dollari
Il progetto è supportato da un consorzio che comprende:
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University of Utah,
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Applied Materials,
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Bright Silicon Technologies,
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Electroninks,
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Northrop Grumman,
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NXP Semiconductors,
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Texas Microsintering Inc., spin-off dedicato alla futura commercializzazione.
Questo gruppo ha ricevuto 14,5 milioni di dollari da DARPA, con interesse particolare per packaging RF ad alta frequenza, elettronica riconfigurabile e sistemi attivi per beam steering.
Sono già stati realizzati quattro dimostratori:
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Modulo fan-out per elettronica di consumo.
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Componenti a frequenze elevate per applicazioni difensive.
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Pacchetti non planari, adattabili a spazi meccanici complessi.
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Pacchetti attivi, in cui struttura meccanica ed elementi elettrici sono integrati.
Dalla teoria alla fabbrica: il ruolo di Texas Microsintering
Per trasformare HMNL in una tecnologia industriale, Cullinan ha fondato Texas Microsintering Inc., che si occuperà di:
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rendere scalabile la produzione delle metasuperfici,
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standardizzare le resine metallo-polimero,
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sviluppare linee pilota per integrare HMNL nei processi di packaging.
Nel medio termine l’azienda prevede di offrire servizi di prototipazione rapida e, successivamente, piattaforme di produzione basate su HMNL.
Un trend più ampio: micro- e nano-stampa 3D per elettronica e materiali avanzati
L’iniziativa HMNL si inserisce in un panorama in cui la stampa 3D si avvicina sempre più alla scala micro e nano.
3DPX per fibre ultra-sottili
L’Università dell’Illinois Urbana-Champaign, insieme a Cambridge, Chapman e Hongik University, ha sviluppato un metodo capace di produrre fibre fino a 1,5 µm di diametro e lunghezze di decine di centimetri tramite scambio rapido di solvente in un gel di supporto.
Il sistema funziona con polimeri diversi e persino con nanocompositi CNT-polimero, utili per elettronica flessibile e sensori.
roll-to-roll CLIP (r2rCLIP) per microparticelle complesse
La Stanford University ha adattato la tecnologia CLIP in un processo roll-to-roll, capace di produrre fino a un milione di microparticelle al giorno.
Questo approccio è rilevante per applicazioni come drug delivery, microrobotica, microelettronica e abrasivi industriali.
Questi sviluppi mostrano come la stampa 3D stia diventando una tecnologia strategica per realizzare architetture funzionali su scala molto ridotta, oltre la tradizionale fabbricazione di componenti macroscopici.
Possibili applicazioni di HMNL nel medio termine
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Pacchetti 3D per chip RF
Geometrie tridimensionali per linee di trasmissione, antenne e filtri integrati, con percorsi di segnale più efficienti. -
AI near-sensor
Moduli elettronici inseriti direttamente in spazi ridotti di robot, droni o dispositivi intelligenti, grazie alla libertà geometrica del processo. -
Pacchetti attivi per fotonica e beam steering
Strutture che uniscono funzione meccanica ed elettronica, con vantaggi in termini di ingombro ed efficienza.
Nel complesso, HMNL posiziona la stampa 3D come elemento chiave per l’elettronica ad alte prestazioni, affiancando – e in alcuni casi sostituendo – le tecniche convenzionali di packaging.
