シングルダイのフリップチップ実装用のレーザー誘起フォワード転送

サマリー

私たちは光電子部品のフリップチップ実装用のレーザー誘起フォワード転送（LIFT）技術の使用を示す。このアプローチは、ファインピッチの光電子用途のための高密度回路を実現するためのチップスケール上バンピングと接合するためのシンプルでコスト効率、低温、高速で柔軟なソリューションを提供する。

要約

フリップチップ（FC）パッケージは、マイクロエレクト​​ロニクス産業で高性能、超小型化、高密度回路を実現するための重要な技術である。この技術では、チップおよび/または基板がバンプされ、両者は、これらの導電性バンプを介して接合されている。多くのバンピング技術が開発され、集中的にそのようなステンシル印刷、スタッドバンピング、蒸発電解として1960年にFC技術の導入^1/2を電気めっきするので、研究されてきた。これらの方法は、それらすべてが1に苦しむ又はコスト、複雑な処理ステップ、高い処理温度、製造時間及び柔軟性の最も重要な不足などに対処する必要がある複数の欠点の進捗状況にもかかわらず。本稿では、レーザ誘起フォワード転送（LIFT）として知られているシンプルでコスト効率のレーザーベースのバンプ形成技術^3を示し^ています。 LIFT法のバンプ材料の広い範囲を使用すると、bはできRTでの大きな柔軟性、高速かつ正確に一段階で印刷電子。また、LIFTは超小型回路を製造するために重要であるチップスケール、までバンピングとの結合を可能にします。

概要

レーザー誘起前方転写（LIFT）は、ミクロンおよびサブミクロンの分解能を有するシングルステップパターン定義及び物質移動のための多目的な直接書き込み添加剤の製造方法である。本稿では、チップスケールの垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL）のフリップチップ実装用のバンプ技術としてLIFTの使用を報告している。フリップチップシステム·パッケージと電子及び光電子（OE）コンポーネントの統合における重要な技術です。部品の高密度集積化を達成するためにファインピッチ接合が不可欠である。なお、ファインピッチ·ボンディングは、標準的な技術のいくつかによって実証されているが、ボイドが、柔軟性、費用対効果、スピード、精度と低処理温度などの他の重要な特徴を一緒に組み合わせるという点であります。これらの要件を満たすために、我々は、OE部品のファインピッチボンディングのLIFT補助熱圧着法を実証する。

LでIFT、印刷される材料の薄膜（ ドナーと呼ばれる）（ キャリアとも呼ばれる）レーザー透過性支持基板の一方の面上に堆積される。 図1は、この技術の基本原理を示す図である。十分な強度の入射レーザパルスは、次に近接して配置され（ 受信機ともいう）は、別の基板上に照射されたゾーンからのドナーピクセルを転送する転送するために必要な推進力を提供するキャリア供与体界面に集光される。

リフトが最初に損傷を受けたフォトマスク^3を修復するためのミクロンサイズの銅配線を印刷する技術としてBohandyによって1986年に報告された。その最初の実証以来、この技術は、セラミックス^4、カーボンナノチューブ^5、量子ドット⁶のような広範囲の材料の制御されたパターニングと、印刷、生きた細胞^7、グラフのマイクロ·ナノ加工技術として大きな関心を集めているエン^8、そのようなバイオセンサー^9、OLEDの^10、光電子部品^11、プラズモンセンサー^12、有機エレクトロニクス¹³とフリップチップボンディング^14,15として多様なアプリケーションのために。

LIFTは、OE部品のフリップチップ実装のためのシンプルさ、速度、柔軟性、費用対効果、高分解能と精度などの既存のフリップチップバンプと接合技術に勝るいくつかの利点を提供する。

プロトコル

1. LIFTアシストフリップチップボンディング

注：あり、LIFTアシストフリップチップアセンブリ、LIFT技術を用いて基材、すなわち、マイクロバンプを実現する熱圧着フリップチップボンディング法を用いてバンプ基板に光電子チップを取り付ける際には、三つの段階であり、かつ最終的に結合したアセンブリのカプセル化。これらの段階のそれぞれは、次のセクションで説明します：

1. リフトを使用マイクロバンピング：
   1. ドナーの準備のために、レーザー透過性キャリア基板上にドナー材料の薄膜を堆積させる。 2インチ径のx 0.05センチメートル厚：この実験では、寸法のガラスキャリア基板の上にインジウム金属の厚さ200nmの膜を蒸発させる。
      注：ドナー調製方法は、例えば、蒸発を使用して、固相ドナー材料スパッタリング及びスピンコーティングおよびドクターブレードの液相ドナーについて、ドナー材料の相に依存するS。
   2. 受信機の製造のために、受信機などの5×5×0.07センチメートル³の寸法を有するガラス基板を用いる。パターンフォトリソグラフィを用いて構造プロービングOEチップとファンアウトを接合するための金属接触パッドと、これらの基板。この実験では、パターン厚さ4μmのNi-Auのボンドパッドとファンアウトをガラスレシーバ基板上にトラックを探索する。
   3. 次に、受信機と接触してドナーを配置し、コンピュータ制御のXY移動ステージ上にドナー - 受信機アセンブリをマウントします。
      注：ドナー材料の相（ 例えば、固体（インジウム）または液体（インク/ペースト））及びその厚さは、ドナーに依存し、レシーバ基板を容易に制御することができる最適な分離に配置されている（ 例えば、バイ）金属製のスペーサを使って。
   4. 160ミリメートルの焦点距離の対物レンズを用いたキャリア供与体界面に入射したレーザビームを集束し、ドナーsubstratにわたってビーム（20μmのスポットサイズ）をスキャン受信機のボンドパッド上にドナーマイクロバンプを転送するための電子。 270 MJ / cm ²のフルエンスでレシーバボンドパッド上にインジウムバンプを持ち上げるために355 nmの波長と12ピコ秒のパルス持続時間のピコ秒レーザー光源を使用してください。
      注：このようなエネルギーなどのレーザ特性、ない。パルスは、対物レンズの高さを、ドナーマイクロバンプ転写されるべき所望のパターンを印刷するためのレシーバ基板上の正確な位置の座標を正確にコンピュータプログラムによって制御される。重要な実験パラメータ（ 例えば、転写フルエンス）は、他のレーザ光 ​​源を用いた場合に最適化される必要がある。
   5. 厚いバンプのために数回、新鮮な領域にドナーを移動し、ステップ1.1.4を繰り返します。例えば、この実験のために、互いの上に印刷された6インジウムバンプのスタックを取得するために6回ステップ1.1.4を繰り返す。最終的には、バンプは〜1.5μmで20μmの直径（ 図2）の平均高さを持って持ち上げた。
      注：これらのexperimについてエントバンプの表面形状と厚さは、光学プロフィロメータを用いて測定した。これは、バンプが1.5μmの平均厚さと、凸/ドーム形態を有し、（ 図3に黄色でマークされたように）、バンプ径にわたって平均化することを検討した。その理由は、ドナーは、レーザ照射ゾーン中で溶融し、ペレットを移し、次いで（インジウム、低融点を有する）受容体表面に到達した時点で再固化するという事実に起因する。これの利点は、VCSELの接触パッドに印刷されたバンプの良好な接着をもたらすことである。
2. 熱圧着（ 図4-6）基板へのチップ：
   1. ぶつかった基板に光電子チップを接合するための半自動フリップチップボンダーを使用してください。
   2. ぶつかった受信機とボンダのそれぞれの真空プレートに接合されるチップをロードします。そのアクティブエリアFACで、すなわち 、反転した位置にチップを置きますダウンる。
   3. 適切なピックアップツールを使用して、チップの中心に位置に合わせます。 図5に示すように、針状のツールを使用します。次に、このピックアップツールを使用してチップを選択します。
   4. カメラ·アライメントシステムを使用してレシーバ基板上の対応する接触パッドとチップボンドパッドの位置を合わせます。
   5. いったん整列すると、基板上にチップを置く。
   6. 電気的および機械的な相互接続を基板へチップを実現すると同時に熱（〜200℃）および圧力（12.5重/バンプ）を適用する。
3. 結合したアセンブリ（ 図4-6）のカプセル化：
   1. 注射針を使用して接合体​​のエッジの周りに光学的に透明な接着剤を分注する。カプセル化は、結合したアセンブリの機械的信頼性が向上します。結合したチップをカプセル化するためのNOA 86などの単一成分のUV硬化型接着剤を使用してください。
   2. 〜30秒間UVランプを用いて接着剤を硬化させる。

ボンド垂直共振器型面発光レーザ（VCSELの）のキャラクタリゼーション

注：製造後に次のステップでは、結合アセンブリの電気光学的性能を評価することである。デバイスの光電流 - 電圧（LIV）の曲線は、プローブステーションを用いて、接合後に記録されている。次のステップはテストのために関与している：

1. カスタムメイドの透明ステージにデバイスをフリップチップを置きます。ステージは、VCSELはによって放射される光に簡単にアクセスするためのその中心部に孔を有している。
2. 透明ステージの下に光検出器（PD）を配置し、顕微鏡を用いて接着チップとの活性領域を揃える。
3. 正確に顕微鏡を用いたNi-Auのプロービングパッド上プロービングの針を配置。
4. 電流の10 mAまで注入し、VCSELの両端の電圧降下および電流/電圧ソースメータユニットとパワーメータ解像度を使用することによって放出される光を測定するpectively。

結果

図7は 、多くのフリップチップ接合のVCSELチップの1つから記録された典型的なLIV曲線を示す。サプライヤーに測定された光パワーとの間に良好な一致が値を引用符で囲まれた接合デバイス接合後の成功の機能を示した。曲線もprior-、ポストカプセル化を記録し、比較には（ 図7に示すように）封入剤には、チップの機能に影響を与えたことが確認されなかった。また、フリップチップ接合のVCSELとベアダイから記録されたもののために記録I-V曲線との比較を持ち上げバンプ（ 図8）に起因して発生したごくわずかな追加の抵抗を示唆し、それによって良い試合になった。

結合した集合体の機械的な耐久性は、たDage 4000シリーズのマシンを使用して試験した。カプセル化されたチップは、ダイ剪断力がそれらに適用されたときに傷がつくことなく、基板から剥離しなかったrebyは、非常に良好な機械的信頼性を証言。結合およびカプセル化されたチップの経時安定性は、標準的な8585（85℃および85％相対湿度）老化試験加速...

ディスカッション

本稿では、LIFTいわゆるレーザベースの直接描画技術を使用して単一のVCSELチップの熱圧着フリップチップボンディングを示した。 LIFT技術を用いて基板接点パッド上のインジウムのマイクロバンプの印刷を関与アセンブリの製造工程。これは、熱圧着フリップチップバンプ基板にVCSELチップボンディングし、最終的にそれらのカプセル化を行った。

LIFTアシスト結合チップの電気的、光学的および機械的な信頼性は、それらのLIV曲線を測定し、標準8585老化試験を実施することによって評価した。光学特性評価、機械的安定性、および耐久性のために得られた成果は明らかに相互接続技術としてLIFT技術の大きな可能性を強調。

それは、固相材料に来るとき、それは、現在の薄膜に限定される印刷LIFTその言及されるべきであり、それはLIFに困難であるT厚い膜（〜10ミクロン）。それら^16を印刷するような事前パターニングドナードナーフィルムを前処理する前により厚くする固体材料のリフティングを実行可能にできることを述べた。

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
レーザー光源	3D MicroMac (3DMM)	2912-295
光検出器	ニューポート	818シリーズ
・ソース測定ユニット	・ケースレー	2401
パワーメーター	ニューポート	1930
フィル	、ノーランド	、NOA 86
、UVランプ	、オムニキュア	、シリーズ1000、UV
プローブステーション	、カスケード、マイクロテック	、モデル42
、フリップチップボンダー	、トレスキー博士	、T-320 X

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