העברה קדימה מושרה לייזר לאריזת Flip-שבב של מבלטים יחיד

Summary

אנו מדגימים את השימוש בטכניקת ההעברה מושרה לייזר קדימה (LIFT) להרכבה להעיף שבב של רכיבי אופטו. גישה זו מספקת,, בטמפרטורה נמוכה חסכונית פשוטה, פתרון מהיר וגמיש לעדין המגרש מתנגש ומליטים על שבב בקנה מידה להשגת מעגלים בצפיפות גבוהה עבור יישומי אופטו.

Abstract

Flip-שבב אריזה (FC) היא טכנולוגיית מפתח למימוש ביצועים גבוהים, מעגלים-מיניאטורי במיוחד וצפיפות גבוהה בתעשיית המיקרו-האלקטרוניקה. בטכניקה זו השבב ו / או המצע חבוטה ושני מודבקים באמצעות בליטות מוליך אלה. טכניקות להיתקל רבות פותחו ואינטנסיביות נחקרו מאז כניסתה של טכנולוגית FC בשנת 1960 ¹ כגון הדפסת סטנסיל, הקפצת הרבעה, אידוי וelectroless / גלוון ^2. למרות ההתקדמות שהשיטות אלה הפכו כולם סובלים מאחד או יותר מאחד חסרונות שצריך להיות מטופל כגון עלות, מדרגות עיבוד מורכבות, טמפרטורות עיבוד גבוהות, זמן ייצור והכי חשוב חוסר הגמישות. במאמר זה, אנחנו מדגימים טכניקה פשוטה וחסכונית מבוסס לייזר בליטה יוצרים הידוע כמו העברה קדימה מושרה לייזר (LIFT) ^3. שימוש בטכניקת LIFT מגוון רחב של חומרי בליטה יכולה בהדואר המודפס בשלב יחיד עם גמישות רבה, במהירות גבוהה ודיוק בRT. בנוסף, LIFT מאפשר הקפצת ומליטה עד שבב בקנה מידה, שהוא קריטי עבור בודה מעגלי אולטרה-זעירים.

Introduction

מושרה לייזר העברה קדימה (LIFT) הוא שיטה תכליתית ישיר לכתוב תוסף ייצור להגדרת תבנית בשלב יחיד והעברת חומר עם מיקרון ורזולוצית מיקרון משנה. במאמר זה, אנו מדווחים על השימוש בLIFT כטכניקה שקפצה אריזה להעיף שבב של אנכי חלל לייזרים (VCSELs) פולטות משטח על שבב בקנה מידה. Flip-שבב הוא טכנולוגיה מרכזית באריזת מערכת ואינטגרציה של רכיבים אלקטרוניים ואופטו (OE). כדי להשיג אינטגרציה צפופה של רכיבי המליטה המגרש קנס היא חיונית. למרות שמליטת המגרש בסדר הודגמה על ידי כמה מהטכניקות סטנדרטי אבל יש חלל במונחים של שילוב יחד התכונות חשובות האחרות כגון גמישות, עלות-תועלת, מהירות, דיוק וטמפרטורת עיבוד נמוך. על מנת לעמוד בדרישות אלה אנחנו מדגימים שיטת מליטה בסיוע LIFT תרמו-דחיסה עבור מליטה המגרש קנס של רכיבי OE.

בLIFT, סרט דק של החומר להדפסה (המכונה התורם) מופקד על פרצוף אחד של מצע לייזר שקוף תמיכה (המכונה המוביל). איור 1 מתאר את העיקרון הבסיסי של טכניקה זו. דופק לייזר אירוע של עוצמה מספקת לאחר מכן התמקד בממשק שהספק התורם המספק את הכח מניע הנדרש להעביר להעביר פיקסל התורם מהאזור המוקרן על גבי מצע אחר (המכונה המקלט) ממוקם בסמיכות.

LIFT דווח לראשונה בשנת 1986 על ידי Bohandy כטכניקה להדפסת קווי נחושת בגודל מיקרון לתיקון תמונה-מסיכות פגומות ^3. מאז ההפגנה הראשונה שלה בטכניקה זו צברה עניין רב בטכנולוגית ייצור מיקרו-ננו לדפוסים מבוקרים והדפסה של מגוון רחב של חומרים כגון קרמיקה ^{4, 5} צינוריות, QDs ^{6, 7} תאי חיים, גרףENE ^8, ליישומים מגוונים כגון ביו-חיישני ^9, OLEDs ^10, רכיבי אופטו ^11, חיישני plasmonic ^12, אורגנית-אלקטרוניקה ¹³ ולהעיף שבב מליטה ^14,15.

LIFT מציע מספר יתרונות על פני הקפצת ומליטת הטכניקות להעיף שבב הקיים כגון פשטות, מהירות, גמישות, עלות-תועלת, ברזולוציה גבוהה ודיוק לאריזה להעיף שבב של רכיבי OE.

Protocol

1. Bonding Flip-שבב בסיוע LIFT

הערה: יש שלושה שלבים כרוכים במימוש המכלולים להעיף שבב בסיוע LIFT, כלומר מיקרו-הקפצת של מצעים באמצעות טכניקת LIFT, מצרפים שבבי אופטו למצעים נתקלו בשיטת מליטה להעיף שבב תרמו-דחיסה, ו לבסוף אנקפסולציה של המכלולים מלוכדות. כל אחד מהשלבים אלו נדון בסעיפים הבאים:

1. מיקרו-מתנגש באמצעות LIFT:
   1. להכנת תורם, להפקיד שכבה דקה של החומר התורם על מצע מוביל לייזר שקוף. לצורך ניסוי זה, להתאדות סרט עבה ננומטר 200 של אינדיום מתכת על גבי מצע ספק זכוכית עם ממדים: עובי קוטר x 0.05 סנטימטר 2 אינץ '.
      הערה: שיטת הכנת תורם תלויה בשלב של החומר התורם, למשל, להשתמש באידוי ומקרטעת לחומרי תורם שלב מוצק וספין-ציפוי ורופא-blading לתורם נוזל שלבs.
   2. להכנת מקלט, להשתמש מצעי זכוכית עם ממדים של 5 X 5 X 0.07 סנטימטר ³ כמקלטים. תבנית מצעים אלה עם מגע הרפידות מתכתיות עבור מליטה שבב OE ומאוורר מתוך חיטוט מבנים באמצעות photolithography. לצורך הניסוי הזה, תבנית 4 מיקרומטר כריות עבות Ni-Au אג"ח ומאוורר מתוך חיטוט מסלולים על גבי מצעי מקלט זכוכית.
   3. בשלב הבא, למקם את התורם במגע עם המקלט ולעלות על ההרכבה תורם המקלט על במה תרגום XY מחשב נשלט.
      הערה: בהתאם לשלב של החומר התורם (לדוגמא, מוצק (אינדיום) או נוזל (דיו / דבק)) ועוביו, התורם ומצעי המקלט ממוקמות בהפרדה אופטימלית שניתן לשלוט בקלות (למשל, על ידי באמצעות מפרידי מתכת).
   4. למקד את קרן לייזר אירוע בממשק שהספק תורם העסקת עדשה אובייקטיבית בעלת אורך מוקד של 160 מ"מ ולסרוק את הקרן (20 מיקרומטר גודל נקודה) על פני substrat התורםדואר להעברת מיקרו בליטות תורם על אג"ח רפידות המקלט. השתמש במקור לייזר picosecond של 355 ננומטר אורך גל ומשך 12 דופק psec להרים בליטות אינדיום על אג"ח רפידות מקלט בשטף של 270 mJ / ² סנטימטר.
      הערה: מאפייני הלייזר כגון אנרגיה, לא. של קטניות, גובה עדשה אובייקטיבי, קואורדינטות של המיקום המדויק על פני מצע כונס הנכסים למייקרו-בליטות תורם הדפסה והדפוס הרצוי שיועבר נשלטים באופן מדויק על ידי תכנית מחשב. פרמטרים מרכזיים ניסיוניים (למשל, שטף העברה) צריכים להיות מותאמים במקרה של שימוש במקור לייזר אחר.
   5. לבליטות עבות להעביר את התורם לאזור רענן וחזור על שלב 1.1.4 מספר פעמים. לדוגמא, חזור על שלב 1.1.4 שש פעמים כדי לקבל ערימה של 6 בליטות אינדיום מודפסות על גבי זה לצורך הניסוי הזה. הסופי הרים לי בליטות גובה ממוצע של ~ 1.5 מיקרומטר וקוטר של 20 מיקרומטר (איור 2).
      הערה: לאלה experimמציג פרופיל פני השטח והעובי של הבליטות נמדדו באמצעות profilometer אופטי. זה נבדק שבליטות מורפולוגיה קמורה / כיפה עם עובי ממוצע של 1.5 מיקרומטר, בממוצע לכל קוטר הבליטה (כמסומן צהוב באיור 3). הסיבה לכך נובעת מהעובדה שהתורם נמס באזור מוקרן בלייזר וגלול הועבר לאחר מכן מחדש התגבש בהגיעם למשטח המקלט (יש אינדיום נקודת התכה נמוכה). היתרון של זה הוא שזה גורם להידבקות טובה של הבליטה המודפסת לרפידות מגע VCSEL.
2. שבב למצע מליטה תרמו-דחיסה (איורים 4-6):
   1. השתמש בונדר להעיף שבב חצי אוטומטי להדבקת שבבי אופטו למצעים שחוקים.
   2. טען את המקלט נתקל והשבב להיות מלוכד על צלחות הוואקום של ונדר. מניחים את השבב בעמדה התהפכה, כלומר, עם fac האזור הפעיל שלהing למטה.
   3. השתמש בכלי איסוף מתאים ויישר אותו במרכזו של השבב. השתמש בכלי בצורת מחט כפי שמוצג באיור 5. בשלב הבא, לבחור את השבב באמצעות כלי איסוף זה.
   4. יישר את אג"ח רפידות שבב עם קשר הרפידות המקבילה על פני מצע המקלט באמצעות מערכת מצלמה יישור.
   5. ברגע שמיושר מקום השבב על המצע.
   6. החל חום (~ 200 מעלות צלזיוס) ולחץ (12.5 GF / בליטה) בו זמנית לממש שבב למצע גומלין חשמלי ומכאני.
3. Encapsulation של המכלולים מלוכד (איורים 4-6):
   1. לוותר דבק שקוף אופטי בקצוות של ההרכבה הערובה באמצעות מחט מזרק. אנקפסולציה מגבירה את האמינות המכנית של המכלולים מלוכדות. השתמש בדבק יחיד UV רכיב לריפוי כגון NOA 86 למתמצתים את שבבי ערובה.
   2. לרפא את הדבק באמצעות מנורת UV ל~ 30 שניות.

2. אפיון של לייזרי פולטות משטח אנכי חלל ערובה (VCSELs)

הערה: לאחר ייצור השלב הבא הוא להעריך את הביצועים האלקטרו-אופטית של המכלולים מלוכדות. עקומות אור-נוכחי מתח (LIV) של המכשירים נרשמות פוסט-מליטה באמצעות בדיקה בתחנה. השלבים הבאים מעורבים לבדיקה:

1. הנח את להעיף שבב ערובה מכשיר על במה שקופה מחוייט. יש שלב חור שנקדח במרכז לגישה קלה לאור הנפלט על ידי VCSELs.
2. הנח גלאי אור (PD) מתחת לבמה השקופה וליישר שטחה הפעיל עם השבב מלוכדים באמצעות מיקרוסקופ.
3. בדיוק למקם את מחטי החיטוט בNi-Au חיטוט רפידות באמצעות מיקרוסקופ.
4. להזריק עד 10 mA של זרם ומודד את ירידת מתח על פני VCSEL והאור הנפלט על ידי אותו באמצעות נוכחי / יחידת המקור-מד מתח ומיל מד כוחpectively.

Representative Results

איור 7 מראה עקום LIV טיפוסי שנרשם מאחד מהשבבים להעיף השבב הרבים מלוכד VCSEL. התאמה טובה בין הכח האופטי נמדד הספק מצוטט ערכים מצויינים תפקוד מוצלח של הפוסט-המליטה מכשירים מלוכדות. העקומות נרשמו גם-אנקפסולציה ההודעה prior- ועל השוואה שוידאה שencapsulant לא הייתה השפעה על הפונקציונליות השבב (כפי שמוצגת באיור 7). כמו כן, השוואה בין עקומות IV נרשמו לVCSELs להעיף שבב מלוכד ואלו שנרשמו מלמות חשופים הביאה התאמה טובה ובכך, מה שמרמז התנגדות נוספת זניחה שנגרמה בשל הבליטות הרימו (איור 8).

הקשיחות המכנית של המכלולים מלוכדות נבדקה באמצעות מכונה סדרת Dage 4000. השבבים במארז לא להתנתק מהמצע בלי שנפגע כאשר כוח למות גזירה היה מוחל עליהם, reby, מעיד אמינות מכאנית טובה מאוד. היציבות לאורך הזמן של השבבים מלוכדות ומארז הוערכה על ידי ביצוע 8585 (85 ° C ו 85% לחות יחסית) הסטנדרטי מואצות בדיקות הזדקנות. במהלך בדיקות אלה השבבים הוחזקו בטמפרטורה ולחות מבוקרות בתא אקלים עבור הסכום כולל של 400 שעות. השבבים נוטרו חשמליים ואופטי במרווחי זמן קבועים. הביצועים והפונקציונליות של השבבים לא לבזות גם לאחר 400 שעות בתא האקלים כפי שברור מאיור 9.

איור 1. סכמטי המדגים את העיקרון של טכניקת LIFT. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

n-page = "תמיד">
איור 2. מיקרוסקופ אופטי של מצע מקלט נתקל בסיוע LIFT. הבלעה מציגה תמונה מוגדלת של מיקרו-בליטה אינדיום מודפסת. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3. מדידות profilometer האופטי אופייניות של מיקרו-הבליטות הרימו. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4. מתאר מעורבים בה הצעדים השוניםדואר מליטה להעיף שבב תרמו-דחיסה של רכיבי OE. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

5. micrographs האופטי איור נלקח בשלבי עיבוד שונים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

6. תמונת מיקרוסקופ אופטי דמותו של שבב VCSEL ערובה להעיף שבב כפי שנצפו מהצד האחורי של מצע זכוכית מקלט. אנא לחץ כאן לצפייה גדולה יותר גרסה של נתון זה.

7. עקומות איור אופייניות LIV נרשמו לאנקפסולציה ההרכבה VCSEL להעיף שבב לפני ואחרי. (השתנה מ ^-15) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 8. השוואה בין עקומות IV נרשמו לאסיפות להעיף שבב ערובה משתמשת בלחצים שונים עם אלו שנרשמו מלמות חשופים. (השתנה מ ^-15) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

תמיד ">
מגרש איור 9. המתאר את התוצאות של בדיקות שבוצעו על הזדקנות שבבי VCSEL ערובה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

במאמר זה, יש לנו הפגין מליטה להעיף שבב תרמו-דחיסה של שבבי VCSEL בודדים באמצעות טכניקה ישירה לכתוב לייזר מבוסס נקראת LIFT. צעדי ייצור ההרכבה מעורבים הדפסה של מיקרו-הבליטות של אינדיום על כריות מגע מצע באמצעות טכניקת LIFT. זאת בעקבות מליטה תרמו-דחיסה להעיף שבב של שבבי VCSEL למצעים נתקלו ולבסוף אנקפסולציה.

אמינות חשמלית, אופטית ומכאנית של שבבי ערובה בסיוע LIFT הוערכה על ידי מדידת עקומות LIV וביצוע בדיקות הזדקנות סטנדרטית 8585. התוצאות המוצלחות שהושגו לאפיון אופטי, יציבות מכאנית, ועמידות באופן ברור להדגיש את הפוטנציאל הגדול של טכניקת LIFT כטכנולוגית קישוריות.

יש לציין כי כיום LIFT הדפסה מוגבלת לשכבות דקות כשמדובר בחומרים מוצק-שלב וזה מאתגר LIFסרטים עבים T (~ 10 מיקרומטר). אחרי שאמר את זה מראש עיבוד על ידי סרטי התורם כגון מראש דפוסי התורמים לפני הדפסתם ¹⁶ יכולה לעשות ההרמה של חומרים מוצקים עבים אפשריים.

לסיכום, LIFT מציע פתרון פשוט, מדויק מאוד וגמיש כדי להבין קשרי גומלין ברמת שבב ליישומים שדורשים הקפצת שבב יחיד, דיוק גבוה, רזולוציה ועדין המגרש עבור יישומים להעיף שבב בצפיפות גבוהה.

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