Summary
Wir zeigen die Verwendung des Laser-induzierten Weiterleiten Transfer (LIFT) -Technik für die Flip-Chip-Montage von optoelektronischen Bauelementen. Diese Vorgehensweise stellt eine einfache, kostengünstige, Tieftemperatur, schnelle und flexible Lösung zur Feinabstands Stoßen und Verbinden auf Chipmaßstab zur Erzielung hochdichten Schaltungen für optoelektronische Anwendungen.
Abstract
Flip-Chip (FC) Verpackung ist eine der Schlüsseltechnologien für die Realisierung hoher Leistung, extrem miniaturisiert und mit hoher Dichte Schaltungen in der Mikroelektronik. Bei dieser Technik wird der Chip und / oder das Substrat angestoßen wird und die beiden werden über diese leitenden Erhebungen verbunden sind. Viele Bumping Techniken entwickelt worden, und seit der Einführung der Technik FC 1960 1 wie Schablonendruck, Stud-Bumping, Eindampfen und strom / Galvanisieren 2 intensiv untersucht. Trotz der Fortschritte, die diese Verfahren hergestellt sie alle von einem leiden oder mehrere Nachteile auf, die angegangen werden, wie beispielsweise Kosten, komplexe Verarbeitungsschritte, hohe Verarbeitungstemperaturen, die Herstellungszeit und vor allem die mangelnde Flexibilität benötigen. In dieser Arbeit zeigen wir eine einfache und kosteneffektive Laserbasis Höckerbildungstechnik, wie Laser-induzierte Vorwärtsübertragungs (LIFT) bekannten 3. Mit dem Lift-Technik eine Vielzahl von Bump-Materialien be in einem einzigen Schritt mit großer Flexibilität, hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit bei RT gedruckt. Darüber hinaus ermöglicht die LIFT-Bumping und Kleben auf Chip-Scale, die kritisch für die Herstellung von Ultra-Miniatur-Schaltkreis ist.
Introduction
Laser-induzierte Vorwärtstransfer (LIFT) ist ein vielseitiges Direkt schreiben additive Herstellungsverfahren für Einzelschritt-Definition-Muster und Materialtransfer mit Mikrometer- und Sub-Mikrometer-Auflösung. In dieser Veröffentlichung berichten wir die Verwendung von LIFT als Bumping-Technik für die Flip-Chip-Packaging von Vertikalhohlraum-Oberflächenemissionslaser (VCSEL) auf einem Chip-Maßstab. Die Flip-Chip ist eine Schlüsseltechnologie in der System Verpackung und Integration von elektronischen und optoelektronischen (OE) Komponenten. Um dichte Integration von Komponenten zu erreichen Fine-Pitch-Bindung ist von wesentlicher Bedeutung. Obwohl Feinausgleich wurde von einigen der Standardtechniken nachgewiesen, aber es gibt eine Lücke in Bezug auf Kombinieren der andere wichtige Merkmale wie Flexibilität, Wirtschaftlichkeit, Geschwindigkeit, Genauigkeit und niedrige Verarbeitungstemperatur. Um diesen Anforderungen gerecht zu zeigen wir, LIFT-unterstützten Thermokompressions-Bondverfahren für Fine-Pitch-Verklebung von OE-Komponenten.
In LIFT, ein dünner Film des zu bedruckenden Materials (als Donor bezeichnet) wird auf einer Fläche eines lasertransparentes Trägersubstrat (nachfolgend als Träger bezeichnet) abgeschieden. 1 zeigt das Grundprinzip dieser Technik. Ein einfallender Laserimpuls mit ausreichender Intensität wird dann an dem Träger-Donor-Schnittstelle, die erforderlich ist, um Vorwärtsübertragungs den Spender Pixels von der bestrahlten Zone auf ein anderes Substrat Antriebskraft (im folgenden als Empfänger bezeichnet wird) in enger Nachbarschaft plaziert bietet konzentriert.
LIFT wurde zum ersten Mal 1986 von Bohandy als eine Technik, um mikrometergroßen Kupferleitungen zur Reparatur beschädigter Foto-Masken 3 drucken wiesen. Seit der ersten Vorführung diese Technik hat erhebliches Interesse als Mikro-Nano-Fertigungstechnologie zur gesteuerten Musterbildung und das Drucken einer Vielzahl von Materialien wie Keramiken 4 CNTs 5, QD 6 lebende Zellen 7, Graphen gewonnenEn-8, für vielfältige Anwendungen wie zB Bio-Sensoren 9, OLEDs 10, optoelektronische Bauteile 11, Plasmonensensoren 12, Bio-Elektronik 13 und Flip-Chip-Bonding 14,15.
LIFT bietet mehrere Vorteile gegenüber den bestehenden Flip-Chip-Bumping und Verbindungstechniken wie Einfachheit, Schnelligkeit, Flexibilität, Wirtschaftlichkeit, hohe Auflösung und Genauigkeit für die Flip-Chip-Verpackung von OE-Komponenten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. LIFT-unterstützte Flip-Chip-Bonding
HINWEIS: Es gibt drei Stufen der Realisierung der LIFT-unterstützte Flip-Chip-Baugruppen, nämlich-Mikro-Bumping der Substrate mit dem LIFT-Technik, die Befestigung der optoelektronischen Chips auf die gestoßen Substrate mit Thermokompressions-Flip-Chip-Bonding-Verfahren beteiligt sind, und schließlich Verkapselung der verklebten Anordnungen. Jede dieser Stufen wird in den folgenden Abschnitten beschrieben:
- Micro-Bumping mit LIFT:
- Für Donor Zubereitung Abscheidung einer Dünnschicht aus dem Spendermaterial auf ein lasertransparentes Trägersubstrat. Für dieses Experiment wurde verdampft ein 200 nm dicker Film aus Indium-Metall auf der Oberseite der Glasträgersubstrat mit den Abmessungen: Durchmesser von 2 inch x 0,05 cm Dicke.
HINWEIS: Donor Herstellungsverfahren ist abhängig von der Phase des Spendermaterial, zum Beispiel verwenden die Verdampfung und Sputtern für die Festphasen Donormaterialien und Spin-Beschichtung und Rakeln für Flüssigphasen-Spenders. - Für Empfänger Vorbereitung, verwenden Glassubstraten mit einer Größe von 5 x 5 x 0,07 cm 3 als Empfänger. Pattern diese Substrate mit den metallischen Kontaktflächen zum Verbinden der OE-Chip und Fan-out-Sondierung Strukturen mittels Photolithographie. Für dieses Experiment Muster 4 um dicke Ni-Au-Bond-Pads und Fan-out-Probing-Tracks auf Glassubstraten Empfänger.
- Als nächstes legen Sie den Spender in Kontakt mit dem Empfänger und montieren Sie den Spender-Empfänger-Baugruppe auf einem computergesteuerten XY-Verschiebetisch.
HINWEIS: In Abhängigkeit von der Phase des Gebermaterials (zB Feststoff (Indium) oder Flüssigkeit (Tinte / Paste)), und ihre Dicke, der Spender und der Empfängersubstrate werden bei einer optimalen Trennung, die leicht gesteuert werden kann (beispielsweise durch platziert mit metallischen Abstandhaltern). - Konzentrieren des einfallenden Laserstrahls auf dem Träger-Donor-Schnittstelle unter Verwendung einer Objektivlinse mit 160 mm Brennweite und Scannen des Strahls (20 um Punktgrße) über der Spender substrate für die Übertragung von Spender-Mikro Stöße auf die Empfänger Anleihe-Pads. Verwenden Sie einen Pikosekunden-Laserquelle von 355 nm Wellenlänge und 12 ps Pulsdauer zu Indiumhöcker auf die Empfänger Anleihe-Pads bei einer Fluenz von 270 mJ / cm 2 zu heben.
Hinweis: Die Lasereigenschaften, wie Energie, keine. der Impulse, die Objektivlinse Höhenkoordinaten der genauen Stelle auf dem Empfängersubstrat zum Drucken Spender-Mikro Beulen und das gewünschte Muster übertragen werden präzise durch ein Computerprogramm gesteuert werden. Key experimentellen Parameter (zB Übertragung Einfluss) müssen im Falle der Verwendung eines anderen Laserquelle optimiert werden. - Für dickere Bodenwellen bewegen Sie den Geber auf eine frische Bereich und wiederholen Sie Schritt 1.1.4 mehrmals. Zum Beispiel, wiederholen Sie Schritt 1.1.4 sechs Mal, um einen Stapel von 6 Indium Unebenheiten auf der jeweils anderen für diesen Versuch gedruckt zu bekommen. Die endgültige angehoben Unebenheiten haben eine durchschnittliche Höhe von ~ 1,5 & mgr; m und einem Durchmesser von 20 um (2).
HINWEIS: Für diese experiments das Oberflächenprofil und die Dicke der Erhebungen wurden unter Verwendung eines optischen Profilometers gemessen. Es wurde geprüft, daß die Höcker hatten eine konvex / Kuppel-Morphologie mit einer mittleren Dicke von 1,5 um, gemittelt über den Höckerdurchmesser (wie gelb markiert in Figur 3). Der Grund dafür ist die Tatsache, dass der Spender geschmolzen in dem Laser bestrahlten Zone und der Pellets übertragen dann beim Erreichen der Aufnahmefläche (Indium hat einen niedrigen Schmelzpunkt) wiedererstarrten zurückzuführen. Der Vorteil davon ist, dass es zu einer guten Haftung der gedruckten Bump den VCSEL Kontaktpads führt.
- Für Donor Zubereitung Abscheidung einer Dünnschicht aus dem Spendermaterial auf ein lasertransparentes Trägersubstrat. Für dieses Experiment wurde verdampft ein 200 nm dicker Film aus Indium-Metall auf der Oberseite der Glasträgersubstrat mit den Abmessungen: Durchmesser von 2 inch x 0,05 cm Dicke.
- Chip zum Thermokompressionsbonden Substrat (Abbildungen 4-6):
- Verwenden Sie eine halbautomatische Flip-Chip-Bonder zum Verkleben der optoelektronischen Chips auf die gestoßen Substraten.
- Laden Sie das stieß Empfänger und der Chip auf ihrer jeweiligen Vakuumplatten der Bonder gebunden werden. Setzen Sie den Chip in einem umgedreht Position, dh mit seiner aktiven Fläche facing nach unten.
- Verwenden Sie ein geeignetes Aufnahmewerkzeug und richten Sie sie auf die Mitte des Chips. Verwenden Sie einen nadelförmigen Werkzeug wie in Abbildung 5 dargestellt. Als nächstes wählen Sie den Chip mit dieser Pick-up-Tool.
- Ausrichten der Chipbondanschlußflächen mit den entsprechenden Kontaktflächen auf dem Empfangsmaterialsubstrat mit einer Kamera-Ausrichtungssystem.
- Nach der Ausrichtung Ort des Chips auf dem Substrat.
- Bewerben Wärme (~ 200 ° C) und Druck (12,5 gf / Stoß) gleichzeitig Chip zu realisieren, um elektrische und mechanische Verbindungen Substrat.
- Kapselung der Bonding-Anordnungen (Abbildungen 4-6):
- Verzichtet einen optisch transparenten Klebstoff an den Rändern der verbundenen Anordnung unter Verwendung einer Spritzennadel. Die Verkapselung erhöht die mechanische Zuverlässigkeit der verklebten Anordnungen. Verwenden Sie eine einzelne Komponente UV-härtenden Klebstoff, wie NOA 86 zum Einkapseln der gebundenen Chips.
- Cure den Klebstoff mit einer UV-Lampe für ~ 30 Sekunden.
2. Charakterisierung der gebundenen Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL)
HINWEIS: Nach der Herstellung der nächste Schritt ist, die elektro-optischen Eigenschaften der verklebten Anordnungen zu beurteilen. Die Licht-Strom-Spannungs (LIV) Kurven der Geräte aufgezeichnet post-Bindung mit einer Sonde entfernt. Folgende Schritte sind für die Prüfung einbezogen:
- Legen Sie die Flip-Chip-gebundenen Gerät auf eine maßgeschneiderte transparente Bühne. Die Bühne weist ein Loch in der Mitte für einen einfachen Zugang zu dem Licht, das durch den VCSEL emittiert wird gebohrt.
- Legen Sie ein Fotodetektor (PD) unter dem transparenten Bühne und seinem aktiven Bereich mit dem gebundenen Chip mit Hilfe eines Mikroskops auszurichten.
- Genau zu positionieren, die Sondierung Nadeln auf dem Ni-Au Prüfkontaktflächen mit Hilfe eines Mikroskops.
- Spritzen Sie bis zu 10 mA Strom und messen Sie den Spannungsabfall über der VCSEL und das Licht durch sie mit einem Strom- / Spannungsquelle-Meter-Einheit emittiert und ein Leistungsmesser resziehungs.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 7 zeigt eine typische LIV Kurve, die von einem der vielen Flip-Chip-gebondet VCSEL Chips aufgezeichnet. Eine gute Übereinstimmung zwischen der gemessenen Lichtleistung an den Lieferanten angegebenen Werte angegeben erfolgreiche Funktionieren des gebundenen Geräte Post-Bindung. Die Kurven wurden ebenfalls aufgezeichnet Priorität und post-Verkapselung und die bei einem Vergleich wurde verifiziert, dass das Verkapselungsmittel hatte keine Auswirkung auf die Funktionalität des Chips (wie in 7 gezeigt). Auch ein Vergleich zwischen den IV-Kurven für die Flip-Chip-gebondet VCSELs und die aus einem als Chip aufgezeichnet ergab eine gute Übereinstimmung damit, was vernachlässigbare zusätzliche Widerstand aufgrund der angehobenen Erhebungen (8) entstehen.
Die mechanische Robustheit der verbundenen Baugruppen wurde mit einem Dage 4000-Serie Maschine getestet. Die eingekapselten Chips nicht von dem Substrat abzulösen ohne Beschädigung, wenn eine Druckscherkraft wurde zu ihnen angelegtenreby, bezeugen eine sehr gute mechanische Zuverlässigkeit. Die zeitliche Stabilität der gebundenen und verkapselten Chips wurde durch Durchführen der Standard-8585 (85 ° C und 85% relative Luftfeuchtigkeit) beschleunigten Alterungstests ausgewertet. Während dieser Tests wurden die Chips unter kontrollierten Temperatur und Luftfeuchte in einer Klimakammer für insgesamt 400 Stunden gehalten. Die Chips wurden elektrisch und optisch in regelmäßigen Abständen überwacht. Die Leistung und Funktionalität der Chips nicht selbst nach 400 Stunden in der Klimakammer abzubauen, wie aus Abbildung 9 klar.
Abbildung 1. Schematische Darstellung des Prinzips der LIFT-Technik. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 2. Lichtmikroskopische Aufnahme eines LIFT-unterstützte stieß Empfängersubstrat. Der Einschub zeigt ein vergrößertes Bild eines gedruckten Indium Mikro Beule. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 3. Typische optische Profilometer-Messungen der angehobenen Mikro Beulen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 4 zeigt die verschiedenen Schritte in th beteiligte Thermokompressions-Flip-Chip-Bonden der OE-Komponenten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 5: Lichtmikroskopische Aufnahmen bei verschiedenen Verarbeitungsschritte übernommen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 6. Optische-Aufnahme einer Flip-Chip-gebundenen VCSEL-Chip, wie von der Rückseite des Empfängers Glassubstrat betrachtet. Bitte klicken Sie hier ein, um zu vergrößern Version dieser Figur.
Abbildung 7. Typische LIV-Kurven für eine Flip-Chip-Montage VCSEL vor und nach der Kapselung. (Modifiziert nach 15) aufgezeichnet Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 8. Vergleich von IV-Kurven für Flip-Chip-Baugruppen mit unterschiedlichen Drücken mit denen aus einer Bare-Die. (Modifiziert nach 15) aufgezeichnet gebunden aufgezeichnet Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 9: Grundstück, das die Ergebnisse der Alterungstests an den gebundenen VCSEL-Chips durchgeführt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In dieser Arbeit haben wir Thermokompressions-Flip-Chip-Bonden der einzelnen VCSEL-Chips unter Verwendung eines laserbasierten Direktschreibtechnik genannt LIFT demonstriert. Die Montageherstellungsschritten beteiligten Druck der Mikro Höcker aus Indium auf die Substratkontaktflächen unter Verwendung des LIFT-Technik. Dies wurde durch Thermokompressions Flip-Chip-Bonden von VCSEL-Chips auf die gestoßen Substrate und schließlich ihre Einkapselung gefolgt.
Elektrische, optische und mechanische Zuverlässigkeit der LIFT-unterstützte gebunden Chips wurde durch Messung ihrer LIV Kurven und Durchführung Standard 8585 Alterungstests ausgewertet. Die erfolgreichen Ergebnisse für die optische Charakterisierung, mechanische Stabilität erreicht, und Haltbarkeit deutlich unterstreichen das große Potenzial der LIFT-Technik als Interconnect-Technologie.
Es sollte erwähnt werden, dass derzeit LIFT Drucken Dünnschichten beschränkt, wenn es in fester Phase Materialien kommt, und es ist schwierig, LIFT dickere Folien (~ 10 & mgr; m). Having said, die durch Vorverarbeitung der Spender Filmen wie vor der Strukturierung der Spender vor dem Drucken 16 Aufhebung der dickere feste Materialien durchführbar zu machen.
Abschließend LIFT bietet eine einfache, hochgenaue und flexible Lösung für die Chip-Level-Verbindungen für Anwendungen, die Single-Chip-Bumping, mit hoher Genauigkeit, Auflösung und Fine-Pitch für High-Density-Flip-Chip-Anwendungen zu realisieren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Laser source | 3D MicroMac (3DMM) | 2912-295 | |
| Photodetector | Newport | 818 series | |
| Source measurement unit | Keithley | 2401 | |
| Power meter | Newport | 1930 | |
| Underfill | Norlands | NOA 86 | |
| UV lamp | Omnicure | Series 1000 UV | |
| Probe station | Cascade Microtech | model 42 | |
| Flip-chip bonder | Dr. Tresky | T-320 X |
References
- Davis, E., Harding, W., Schwartz, R., Coring, J. Solid logic technology: versatile, high performance microelectronics. IBM J. Res. Develop. 8, 102-114 (1964).
- Bigas, M., Cabruja, E., Lozano, M. Bonding techniques for hybrid active pixel sensors (HAPS). Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 574 (2), 392-400 (2007).
- Bohandy, J., Kim, B. F., Adrian, F. J. Metal deposition from a supported metal film using an excimer laser. J. Appl. Phys. 60 (4), 1538-1539 (1986).
- Kaur, K. S., et al. Shadowgraphic studies of triazene assisted laser-induced forward transfer of ceramic thin films. J. Appl. Phys. 105 (11), 113119 (2009).
- Boutopoulos, C., Pandis, C., Giannakopoulos, K., Pissis, P., Zergioti, I. Polymer/carbon nanotube composite patterns via laser induced forward transfer. Appl. Physc. Lett. 96, 041104 (2010).
- Xu, J., Liu, J., et al. Laser-assisted forward transfer of multi-spectral nanocrystal quantum dot emitters. Nanotechnology. 18 (2), 025403 (2007).
- Doraiswamy, A. Excimer laser forward transfer of mammalian cells using a novel triazene absorbing layer. Appl. Surf. Sci. 252 (13), 4743-4747 (2006).
- Papazoglou, S., Raptis, Y. S., Chatzandroulis, S., Zergioti, I.A study on the pulsed laser printing of liquid phase exfoliated graphene for organic electronics. Appl. Phys. A. , (2014).
- Chatzipetrou, M., Tsekenis, G., Tsouti, V., Chatzandroulis, S., Zergioti, I. Biosensors by means of the laser induced forward transfer technique. Appl. Surf. Sci. 278, 250-254 (2013).
- Stewart, J. S., Lippert, T., Nagel, M., Nuesch, F., Wokaun, A. Red-green-blue polymer light-emitting diode pixels printed by optimized laser-induced forward transfer. Appl. Phys. Lett. 100 (20), 203303 (2012).
- Kaur, K., et al. Waveguide mode filters fabricated using laser-induced forward transfer. Opt. Express. 19 (10), 9814-9819 (2011).
- Kuznetsov, A. I. Laser fabrication of large-scale nanoparticle arrays for sensing applications. ACS Nano. 5 (6), 4843-4849 (2011).
- Rapp, L., Diallo, A. K., Alloncle, A. P., Videlot-Ackermann, C., Fages, F., Delaporte, P. Pulsed-laser printing of organic thin-film transistors. Appl. Phys. Lett. 95 (17), 171109 (2009).
- Assembly of optoelectronics for efficient chip-to-waveguide coupling. Bosman, E., Kaur, K. S., Missinne, J., Van Hoe, B., Van Steenberge, G. 15th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC), Dec 11-13, , 630-634 (2013).
- Kaur, K. S., Missinne, J., Van Steenberge, G. Flip-chip bonding of vertical-cavity surface-emitting lasers using laser-induced forward transfer. Appl. Phys. Lett. 104 (6), 061102 (2014).
- Kaur, K. S., al, et Laser-induced forward transfer of focussed ion beam pre-machined donors. Appl. Surf. Sci. 257 (15), 6650-6653 (2011).
