Lasergeïnduceerde Forward Transfer voor Flip-chip Verpakking van Single Dies

Samenvatting

We tonen het gebruik van de Laser-induced Forward Transfer (LIFT) techniek voor flip-chip assemblage van opto-elektronische componenten. Deze aanpak biedt een eenvoudige, kosteneffectieve, lage temperatuur, snelle en flexibele oplossing voor fijn-pitch stoten en hechting op chip-schaal voor het bereiken van een hoge dichtheid circuits voor opto-elektronische toepassingen.

Samenvatting

Flip-chip (FC) verpakking is een belangrijke technologie voor het realiseren van hoge prestaties, ultra-geminiaturiseerde en high-density circuits in de micro-elektronica-industrie. In deze techniek wordt de chip en / of het substraat wordt gestoten en de twee zijn gebonden via deze geleidende hobbels. Veel stoten technieken zijn ontwikkeld en intensief onderzocht sinds de invoering van de FC-technologie in 1960 ^1, zoals stencilafdruk, stud stoten, verdamping en stroomloos / galvaniseren ^2. Ondanks de vooruitgang die deze methoden hebben zij allen lijden aan één of meerdere nadelen die moeten zodanig worden aangepakt kosten, bewerkelijke, hoge verwerkingstemperaturen, productietijd en vooral het gebrek aan flexibiliteit. In dit artikel tonen we een eenvoudige en kosteneffectieve laser gebaseerde hobbel vormen techniek die bekend staat als de Laser-geïnduceerde Forward Transfer (LIFT) ^3. Met behulp van de LIFT-techniek een breed scala aan bult materialen kan be gedrukt in een enkele stap met grote flexibiliteit, hoge snelheid en nauwkeurigheid bij KT. Daarnaast LIFT maakt het stoten en binding beneden om chip-schaal, die van cruciaal belang is voor het vervaardigen van ultra-miniatuur circuits.

Inleiding

Lasergeïnduceerde Forward Transfer (LIFT) is een veelzijdige additieve methode vervaardigen directe schrijven voor single-step patroon definitie en de materiële overdracht met micron en sub-micron-resolutie. In dit artikel beschrijven we het gebruik van LIFT als stoten techniek voor flip-chip verpakking van verticale-holte-oppervlak emitterende lasers (VCSELs) op een chip-schaal. Flip-chip is een belangrijke technologie in het systeem van de verpakking en de integratie van de elektronische en opto-elektronische (OE) componenten. Om dichte integratie van componenten bereiken fine pitch hechting is essentieel. Hoewel fine pitch bonding is aangetoond door een aantal van de standaard technieken, maar er is een leegte in termen van elkaar combineren van de andere belangrijke functies, zoals flexibiliteit, kosteneffectiviteit, snelheid, nauwkeurigheid en lage verwerkingstemperatuur. Om aan deze eisen te voldoen tonen we-LIFT bijgestaan ​​thermo-compressie bonding methode voor fine pitch verlijmen van OE-onderdelen.

In LIFT, een dunne film van het te bedrukken materiaal (aangeduid als het donor) wordt aangebracht op een zijde van een laser-transparante dragende substraat (aangeduid als de drager). Figuur 1 toont het basisprincipe van deze techniek. Een invallende laserpuls voldoende intensiteit wordt dan gericht op de meenemer-donor interface die de voortstuwende kracht nodig zijn om de overdracht van de donor pixel van de bestraalde zone op een substraat (aangeduid als ontvanger) dicht in de buurt verschaft.

LIFT werd voor het eerst gerapporteerd in 1986 door Bohandy als een techniek om microscopisch kleine koperen lijnen afgedrukt voor het repareren van beschadigde foto-maskers ^3. Sinds de eerste demonstratie deze techniek opgedaan significant belang als een micro-nano fabricage technologie voor gecontroleerde patroonvorming en afdrukken van een groot aantal materialen zoals keramiek ^4, CNTs ^5, QD ^6, levende cellen ⁷ grafiekENE ^8, voor uiteenlopende toepassingen zoals bio-sensoren ^9, OLED's ^10, opto-elektronische componenten ^11, plasmonische sensoren ^12, organisch-elektronica ¹³ en flip-chip bonding ^14,15.

LIFT biedt een aantal voordelen ten opzichte van de bestaande flip-chip stoten en verbindingstechnieken, zoals eenvoud, snelheid, flexibiliteit, kosteneffectiviteit, hoge-resolutie en nauwkeurigheid voor flip-chip verpakking van OE-onderdelen.

Protocol

1.-LIFT bijgestaan ​​Flip-chip Bonding

LET OP: Er zijn drie fasen betrokken bij het realiseren van de-LIFT bijgestaan ​​flip-chip assemblages, namelijk micro-stoot van de substraten met behulp van de LIFT-techniek, het bevestigen van de opto-elektronische chips naar het gestoten substraten met behulp van thermo-compressie flip-chip bonding methode, en tenslotte inkapseling van het gehechte samenstellen. Elk van deze stappen wordt in de volgende secties:

1. Micro-stoten behulp LIFT:
   1. Voor donor bereiding deponeren een dunne film van het donormateriaal op een laser-transparant dragersubstraat. Voor dit experiment verdampen een 200 nm dikke film van indium metaal bovenop glazen drager substraat met afmetingen: 2 inch diameter x 0,05 cm dikte.
      OPMERKING: Donor preparaat is afhankelijk van de fase van het donormateriaal, bv gebruiken verdamping en sputteren voor vaste fase donormaterialen en spin-coating en doctor blading voor vloeistofchromatografie donors.
   2. Voor ontvanger voorbereiding, gebruiken glazen substraten met een afmeting van 5 x 5 x 0,07 cm ³ als de ontvangers. Patroon van deze substraten met de metalen contactvlakken voor het verlijmen van de OE-chip en fan-out indringende structuren met behulp van fotolithografie. Voor dit experiment, patroon 4 micrometer dik Ni-Au bondpads en fan-out indringende tracks op glas ontvanger substraten.
   3. Plaats vervolgens de donor in contact met de ontvanger en plaats de donor-ontvanger samenstel op een computergestuurde XY translatietrap.
      Opmerking: Afhankelijk van de fase van het donormateriaal (bijvoorbeeld, vaste stof (indium) of vloeistof (inkt / plak)) en de dikte, de donor en de ontvanger substraten worden geplaatst in een optimale scheiding die gemakkelijk kunnen worden gecontroleerd (bijvoorbeeld door met behulp van metalen spacers).
   4. Focus de invallende laserstraal op de carrier-donor-interface gebruik van een objectief van 160 mm brandpuntsafstand en scan de balk (20 um spotgrootte) over de donor substrate voor het overbrengen van donor micro-hobbels op de ontvanger obligatie-pads. Gebruik een picoseconde laserbron van 355 nm golflengte en 12 PSEC pulsduur te indium hobbels op de ontvanger obligatie-pads lift in een Fluence van 270 mJ / ^cm2.
      OPMERKING: De laser eigenschappen zoals energie, nee. pulsen objectieflens hoogte coördinaten van de precieze locatie van de ontvanger te bedrukken substraat donor micro-stoten en het gewenste patroon te hevelen nauwkeurig bestuurd door een computerprogramma. Key experimentele parameters (bijvoorbeeld overdracht fluentie) worden geoptimaliseerd bij een andere laserbron.
   5. Voor dikkere hobbels uit de donor om een ​​frisse omgeving en herhaal stap 1.1.4 meerdere malen. Bijvoorbeeld, herhaal stap 1.1.4 zes keer tot een stapel 6 indium hobbels gedrukt elkaar voor dit experiment krijgen. De uiteindelijke hief hobbels een gemiddelde hoogte van ~ 1,5 urn en een diameter van 20 urn (figuur 2).
      LET OP: Voor deze experiments het oppervlakteprofiel en dikte van de hobbels werden gemeten met een optische profilometer. Er werd nagegaan of de hobbels had convex / dome morfologie met een gemiddelde dikte van 1,5 urn, gemiddeld over de bult diameter (zoals geel in figuur 3 aangegeven). De reden hiervoor wordt toegeschreven aan het feit dat de donor smolt in de laser bestraalde zone en de overgedragen pellet vervolgens opnieuw stolde bij de ontvanger aankomen oppervlak (Indium een ​​laag smeltpunt). Het voordeel hiervan is dat het resulteert in een goede hechting van de gedrukte bult aan de VCSEL contactvlakken.
2. Chip om thermo-compressie hechtingsondergrond (figuren 4-6):
   1. Gebruik een halfautomatische flip-chip bonder voor het verlijmen van de opto-elektronische chips naar het gestoten substraten.
   2. Laad de stootte ontvanger en de chip worden gebonden op hun respectieve vacuüm platen van de bonder. Plaats de chip in een omgedraaid positie, dat wil zeggen, met zijn actieve gebied fackelen.
   3. Gebruik een geschikte pick-up tool en lijn het op het midden van de chip. Gebruik een naaldvormige hulpmiddel zoals weergegeven in figuur 5. Vervolgens kiest u de chip met behulp van deze pick-up tool.
   4. Lijn de chip obligatie-pads met de bijbehorende contacten op de ontvanger substraat met behulp van een camera-uitlijning systeem.
   5. Eenmaal uitgelijnd plaats de chip op het substraat.
   6. Verwarm (-200 ° C) en druk (12,5 gf / bump) tegelijkertijd chip realiseren elektrische en mechanische verbindingen substraat.
3. Inkapseling van de gebonden assemblages (figuren 4-6):
   1. Breng een optisch transparant hechtmiddel rond de randen van het samenstel verbonden met een injectienaald. De inkapseling verhoogt de mechanische betrouwbaarheid van het gehechte samenstellen. Gebruik een enkel onderdeel van UV-uithardende lijm zoals NOA 86 voor het inkapselen van de gebonden chips.
   2. Genezen van de lijm met behulp van een UV-lamp voor ~ 30 sec.

2. Karakterisering van de Bonded Vertical-cavity-Surface emitterende lasers (VCSELs)

OPMERKING: Na fabricage is de volgende stap de elektro-optische prestatie van het gehechte samenstellen evalueren. De licht-stroom-spanning (LIV) curves van de apparaten zijn opgenomen post-bonding met behulp van een sonde station. De volgende stappen zijn betrokken voor het testen:

1. Plaats de flip-chip gebonden apparaat op een op maat gemaakte transparante podium. Het podium heeft een gat geboord in het centrum voor een gemakkelijke toegang tot het uitgestraalde licht door de VCSELs.
2. Plaats een fotodetector (PD) onder de transparante fase en lijn zijn actieve gebied met de gebonden chip met behulp van een microscoop.
3. Nauwkeurig positioneren de indringende naalden op de Ni-Au indringende pads met behulp van een microscoop.
4. Injecteer tot 10 mA stroom en de spanningsval over de VCSEL en het licht dat door gebruik van een stroom / spanningsbron meter unit en een vermogensmeter res metenpectively.

Resultaten

Figuur 7 toont een typische LIV curve die is opgenomen van een van de vele flip-chip gebonden VCSEL chips. Een goede match tussen de gemeten optische vermogen aan de leverancier genoemde waarden aangegeven succesvol functioneren van de gekoppelde apparaten post-bonding. De krommen werden ook geregistreerd pri- en na inkapseling en van een vergelijking werd vastgesteld dat het inkapselingsmiddel geen invloed had op de chip functionaliteit (zie figuur 7). Ook een vergelijking van de IV cu...

Discussie

In dit artikel hebben we thermo-compressie flip-chip bonding van enkele VCSEL chips met behulp van een laser gebaseerde directe-write techniek genaamd LIFT aangetoond. Het samenstel fabricagestappen betrokken afdrukken van de micro-oneffenheden van indium op het substraat contactvlakken met de LIFT techniek. Dit werd gevolgd door thermo-compressie flip-chip bonding van VCSEL chips naar het gestoten substraten en uiteindelijk hun inkapseling.

Elektrische, optische en mechanische betrouwbaarhe...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Laserbron	3D MicroMac (3DMM)	2912-295
Fotodetector	Newport	818 serie
Bronmeeteenheid	Keithley	2401
Vermogenmeter	Newport	1930
Ondervullen	Norlands	NOA 86
UV-lamp	Omnicure	Serie 1000 UV
Probestation	Cascade Microtech	model 42
Flip-chip bonder	Dr. Tresky	T-320 X