我们演示了激光诱导前向转移（Laser-induced Forward Transfer, LIFT）技术在光电元件倒装芯片组装中的应用。该方法为实现光电应用中的高密度电路，提供了在芯片尺度上进行细间距凸点形成与键合的简单、经济高效、低温、快速且灵活的解决方案。
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摘要
摘要
倒装芯片（FC）封装是实现微电子行业中高性能、超小型化和高密度电路的关键技术。在该技术中，芯片和/或基板上形成凸点，两者通过这些导电凸点实现连接。自1960年引入倒装芯片技术以来，已开发并深入研究了多种凸点制备技术，例如模板印刷、打线凸点、蒸发以及化学镀/电镀12。尽管这些方法已取得一定进展，但仍存在一个或多个需要解决的缺点，例如成本高、工艺步骤复杂、加工温度高、制造周期长，以及最重要的一点——缺乏灵活性。在本文中，我们展示了一种简单且成本效益高的基于激光的凸点成形技术，称为激光诱导前向转移（LIFT）3。利用LIFT技术，可在室温（RT）下通过单步工艺以高度灵活、高速度和高精度打印多种类型的凸点材料。此外，LIFT能够实现直至芯片尺度的凸点制备与键合，这对于制造超小型电路至关重要。
引言
激光诱导前向转移（Laser-induced Forward Transfer, LIFT）是一种多功能的直写式增材制造方法，可用于单步完成图案定义和材料转移，具有微米及亚微米级分辨率。本文报道了LIFT作为一种凸点工艺，用于芯片尺度上垂直腔面发射激光器（vertical-cavity surface-emitting lasers, VCSELs）的倒装芯片封装。倒装芯片技术是电子与光电子（OE）器件系统封装与集成中的关键技术。为实现器件的高密度集成，精细间距键合至关重要。尽管一些标准工艺已实现精细间距键合，但在同时兼顾灵活性、成本效益、速度、精度以及低温加工等其他重要特性方面仍存在空白。为满足这些要求，我们展示了一种基于LIFT辅助的热压键合方法，用于光电子器件的精细间距键合。
在LIFT技术中，待打印材料的薄膜（称为供体）被沉积在激光透明支撑基板的一个表面上（称为载体）。图1展示了该技术的基本原理。随后，将一束强度足够的入射激光脉冲聚焦于载体-供体界面处，由此产生推动力，将受照射区域的供体像素向前转移至邻近放置的另一基板上（称为受体）。
LIFT 技术最早由 Bohandy 于 1986 年报道，最初用于修复受损的光掩模，实现微米级铜线的打印3。自首次演示以来，该技术作为一种微纳制造技术，受到广泛关注，可用于精确图案化和打印多种材料，如陶瓷4、碳纳米管（CNTs）5、量子点（QDs）6、活细胞7、石墨烯8，应用于生物传感器9、有机发光二极管（OLEDs）10、光电元件11、等离激元传感器12、有机电子器件13以及倒装芯片键合14,15等多种领域。
与现有的倒装芯片凸点及键合技术相比，LIFT 技术在光电器件倒装芯片封装中具有多项优势，包括操作简便、速度快、灵活性高、成本效益好、分辨率高以及精度高等特点。
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方案
1. LIFT 辅助的倒装芯片键合
注意：实现LIFT辅助的倒装芯片组装包含三个阶段，即使用LIFT技术对基板进行微凸点制备、采用热压倒装芯片键合方法将光电子芯片连接到带有凸点的基板上，最后对键合后的组件进行封装。以下各节将分别讨论这些阶段：
- 使用LIFT技术进行微凸点成形：
- 供体材料制备：将供体材料以薄膜形式沉积于激光透明的载体基底上。本实验中，在尺寸为直径2英寸、厚度0.05 cm的玻璃载体基底上蒸镀一层厚度为200 nm的铟金属薄膜。
注意：供体样本的制备方法取决于供体材料的相态， 例如， 使用蒸发和溅射法处理固态给体材料，采用旋涂和刮涂法处理液态给体材料。 - 接收器制备时，使用尺寸为 5 x 5 x 0.07 cm 的玻璃基板3 作为接收器。使用光刻技术在这些基底上制备金属焊盘，用于键合光电芯片和引出探针结构。本实验中，在玻璃接收器基底上制备4 µm厚的Ni-Au焊盘和引出探针走线。
- 接下来，将供体与受体接触，并将供体-受体组件安装到计算机控制的X-Y平移台上。
注意：根据供体材料的相态（例如， 固态（铟）或液态（墨水/浆料）及其厚度，供体与受体基底之间的间距需调节至可精确控制的最优距离（例如， 通过使用金属垫片）。 - 使用焦距为160 mm的物镜将入射激光束聚焦于载具-供体界面，并在供体基底上扫描激光束（光斑尺寸20 µm），以将供体微米级凸块转移至接收端焊盘。采用波长355 nm、脉冲持续时间为12 psec的皮秒激光源，以270 mJ/cm²的 fluence 将铟凸块通过LIFT技术转移至接收端焊盘2.
注意：激光的特性（如能量、脉冲次数、物镜高度、在接收基底上用于打印供体微凸点的精确位置坐标以及待转移的预期图案）均由计算机程序精确控制。关键实验参数（例如， 在使用其他激光光源的情况下，需要优化转移能量密度（transfer fluence）。 - 对于较厚的凸点，将供体移至新区域并重复步骤 1.1.4 多次。例如，本实验中重复步骤 1.1.4 六次，以获得六个相互堆叠的铟凸点。最终通过激光诱导前向转移（LIFT）获得的凸点平均高度约为 1.5 µm，直径为 20 µm。图2).
注意：本实验中使用光学轮廓仪测量了凸起的表面形貌和厚度。检测结果显示，凸起呈凸面/圆顶状形态，平均厚度为1.5 µm，该数值为沿凸起直径方向（如黄色标记处）的平均值 图3）。其原因是供体材料在激光辐照区域熔化，转移的微小熔滴在到达受体表面后重新凝固（铟的熔点较低）。这一过程的优势在于能够使打印出的凸点与VCSEL电极焊盘之间形成良好的粘附性。
- 供体材料制备：将供体材料以薄膜形式沉积于激光透明的载体基底上。本实验中，在尺寸为直径2英寸、厚度0.05 cm的玻璃载体基底上蒸镀一层厚度为200 nm的铟金属薄膜。
- 芯片与基板热压键合（图4-6):
- 使用半自动倒装芯片键合机将光电子芯片键合到带凸点的基板上。
- 将待键合的接收器和芯片分别装载到键合机对应的真空吸盘上。将芯片以倒置的位置放置， 即， 其活性面朝下。
- 使用合适的拾取工具，并将其对准芯片中心。使用如图所示的针状工具 图5接下来，使用此拾取工具拾取芯片。
- 使用相机对准系统将芯片焊盘与接收基板上的相应接触焊盘对齐。
- 对齐后，将芯片放置在基底上。
- 同时施加热量（约 200 °C）和压力（12.5 gf/bump），以实现芯片与基板之间的电学和机械互连。
- 键合组件的封装（图4-6):
- 使用注射器针头将光学透明胶粘剂涂布于键合组件的边缘。封装可提高键合组件的机械可靠性。采用单组分紫外光固化胶粘剂（如 NOA 86）对键合芯片进行封装。
- 使用紫外灯固化粘合剂，约 30 秒。
2. 键合垂直腔面发射激光器（VCSEL）的表征
注意：制造完成后，下一步是评估键合组件的电光性能。使用探针台在键合后记录器件的光-电流-电压（LIV）曲线。测试包括以下步骤：
- 将倒装芯片键合的器件放置在定制的透明载台上。该载台中心钻有孔洞，便于获取VCSELs发出的光。
- 在透明载台下方放置一个光电探测器（PD），并通过显微镜将其感光区域与键合芯片对准。
- 使用显微镜将探针精确地定位在Ni-Au探针焊盘上。
- 注入最高达10 mA的电流，并分别使用电流/电压源表单元和功率计测量VCSEL两端的电压降及其发射的光功率。
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结果
图7展示了一条从多个倒装焊VCSEL芯片中测得的典型LIV曲线。实测光功率与供应商提供的标称值吻合良好，表明键合后的器件功能正常。在封装前后均记录了这些曲线，经对比验证，封装材料对芯片功能无影响（如图7所示）。此外，将倒装焊VCSEL器件的I-V曲线与裸芯片测得的I-V曲线进行比较，结果也显示出良好的一致性，表明LIFT转移的凸点引入的额外电阻可忽略不计（图8）。
使用Dage 4000系列设备测试了键合组件的机械坚固性。在施加芯片剪切力时，封装后的芯片在受损之前不会从基板上脱落，表明其具有良好的机械可靠性。通过执行标准的8585（85 °C和85%相对湿度）加速老化测试，评估了键合并封装芯片的长期稳定性。在这些测试中，芯片在气候箱中于受控的温湿度条件下共放置了400小时。芯片在测试期间定期接受电学和光学监测。如图9所示，即使在气候箱中放置400小时后，芯片的性能和功能均未出现退化。
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讨论
本文中，我们展示了利用一种称为激光直写转移（LIFT）的技术，实现单个VCSEL芯片的热压倒装焊。组装制造步骤包括：采用LIFT技术将铟微凸点打印到基板的焊盘上；随后将VCSEL芯片与带有凸点的基板进行热压倒装焊，最后完成封装。
通过测量LIV曲线并进行标准的8585老化测试，评估了LIFT辅助键合芯片的电学、光学和机械可靠性。在光学表征、机械稳定性和耐久性方面获得的成功结果，清晰地凸显了LIFT技术作为一种互连技术的巨大潜力。
需要指出的是，目前当涉及固相材料时，LIFT 打印技术仅限于薄膜，而打印较厚的薄膜（约 10 µm）仍具有挑战性。尽管如此，通过对供体薄膜进行预处理，例如在打印前对供体进行预图案化16，可使较厚固态材料的 LIFT 转移成为可能。
总之，LIFT 提供了一种简单、高精度且灵活的解决方案，可用于实现芯片级互连，适用于需要单芯片凸点、高精度、高分辨率和细间距的高密度倒装芯片应用。
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作是在“MIRAGE”项目框架内完成的，该项目由欧洲委员会在第七框架计划（FP7）内资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 激光源 | 3D MicroMac (3DMM) | 2912-295 | |
| 光电探测器 | Newport | 818 系列 | |
| 源测量单元 | Keithley | 2401 | |
| 功率计 | Newport | 1930 | |
| 底部填充胶 | Norlands | NOA 86 | |
| 紫外灯 | Omnicure | Series 1000 UV | |
| 探针台 | Cascade Microtech | 型号 42 | |
| 倒装芯片键合机 | Dr. Tresky | T-320 X |
参考文献
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重印与许可
