Pokazujemy użycie techniki laserowego transferu do przodu (LIFT) do składania komponentów optoelektronicznych za pomocą flip-chipów. Takie podejście zapewnia proste, ekonomiczne, niskotemperaturowe, szybkie i elastyczne rozwiązanie do drobnoziarnistego wybijania i łączenia w skali chipowej w celu uzyskania obwodów o dużej gęstości do zastosowań optoelektronicznych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Laserowo indukowany transfer do przodu do pakowania pojedynczych matryc metodą flip-chip
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Opakowanie typu flip-chip (FC) jest kluczową technologią do realizacji wysokowydajnych, ultra-zminiaturyzowanych i gęstych obwodów w przemyśle mikroelektronicznym. W tej technice wiór i/lub podłoże są wybijane, a oba są łączone za pomocą tych przewodzących wybrzuszeń. Od czasu wprowadzenia technologii FC w 1960 r.1 opracowano i intensywnie badano wiele technik wybijania, takich jak drukowanie szablonowe, wbijanie kołków, odparowywanie i galwanizacja2. Pomimo postępu, jaki poczyniły te metody, wszystkie one mają jedną lub więcej niż jedną wadę, którą należy rozwiązać, taką jak koszty, złożone etapy przetwarzania, wysokie temperatury przetwarzania, czas produkcji i, co najważniejsze, brak elastyczności. W tym artykule zademonstrujemy prostą i ekonomiczną technikę laserowego formowania guzków, znaną jako laserowo indukowany transfer do przodu (LIFT)3. Korzystając z techniki LIFT, można drukować w jednym kroku szeroką gamę materiałów wypukłych z dużą elastycznością, dużą prędkością i dokładnością w RT. Ponadto LIFT umożliwia uderzanie i klejenie w dół do skali chipowej, co ma kluczowe znaczenie dla produkcji ultraminiaturowych obwodów.
Wprowadzenie
Laserowo indukowany transfer do przodu (LIFT) to wszechstronna metoda wytwarzania przyrostowego z bezpośrednim zapisem do jednoetapowego definiowania wzoru i transferu materiału z rozdzielczością mikronową i submikronową. W tym artykule przedstawiono zastosowanie LIFT jako techniki bumpingu do pakowania flip-chip laserów emitujących powierzchnię z pionową wnęką (VCSEL) w skali chipowej. Flip-chip to kluczowa technologia w pakowaniu systemów i integracji komponentów elektronicznych i optoelektronicznych (OE). Aby osiągnąć gęstą integrację komponentów, niezbędne jest klejenie o drobnym skoku. Chociaż klejenie o drobnym skoku zostało zademonstrowane za pomocą niektórych standardowych technik, istnieje luka, jeśli chodzi o łączenie ze sobą innych ważnych cech, takich jak elastyczność, opłacalność, szybkość, dokładność i niska temperatura obróbki. Aby sprostać tym wymaganiom, demonstrujemy metodę klejenia termokompresyjnego wspomaganego podnoszeniem do klejenia elementów OE o drobnym skoku.
W LIFT, cienka warstwa materiału do wydrukowania (określana jako dawca) jest nakładana na jedną powierzchnię laserowo przezroczystego podłoża nośnego (zwanego nośnikiem). Rysunek 1 przedstawia podstawową zasadę tej techniki. Padający impuls laserowy o wystarczającej intensywności jest następnie skupiany na granicy faz nośny-dawca, który zapewnia siłę napędową wymaganą do przeniesienia piksela dawcy ze strefy napromienianej na inne podłoże (zwane odbiornikiem) umieszczone w bliskiej odległości.
LIFT został po raz pierwszy opisany w 1986 roku przez Bohandy'ego jako technika drukowania linii miedzianych o rozmiarach mikronów do naprawy uszkodzonych fotomasek3. Od czasu pierwszej demonstracji technika ta zyskała duże zainteresowanie jako technologia wytwarzania mikro-nano do kontrolowanego tworzenia wzorów i drukowania szerokiej gamy materiałów, takich jak ceramika4, CNT5, QDs6, żywe komórki7, grafen8, do różnych zastosowań, takich jak biosensory9, OLED10, komponenty optoelektroniczne 11, czujniki plazmoniczne12, elektronika organiczna13 i klejenie typu flip-chip14,15.
LIFT oferuje kilka zalet w porównaniu z istniejącymi technikami łączenia i łączenia typu flip-chip, takich jak prostota, szybkość, elastyczność, opłacalność, wysoka rozdzielczość i dokładność pakowania komponentów OE w typu flip-chip.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Klejenie flip-chip wspomagane podnoszeniem
UWAGA: Realizacja zestawów flip-chip wspomaganych przez LIFT składa się z trzech etapów, a mianowicie: mikro-podbicie podłoży techniką LIFT, dołączenie chipów optoelektronicznych do wypukłych podłoży za pomocą metody termokompresyjnego łączenia flip-chip, a na końcu hermetyzacja połączonych zespołów. Każdy z tych etapów został omówiony w następujących sekcjach:
- Mikro-bumping za pomocą LIFT:
- W celu przygotowania dawcy należy umieścić cienką warstwę materiału dawcy na przezroczystym laserowo podłożu nośnikowym. W tym eksperymencie odparuj warstwę indu o grubości 200 nm na szklanym podłożu nośnym o wymiarach: średnica 2 cale x grubość 0,05 cm.
UWAGA: Metoda przygotowania donora zależy od fazy materiału dawcy, np. należy zastosować odparowanie i rozpylanie w przypadku materiałów donorowych w fazie stałej oraz powlekanie wirowe i doctor-blading w przypadku donorów w fazie ciekłej. - Do przygotowania odbiornika należy użyć podłoży szklanych o wymiarach 5 x 5 x 0,07cm3 jako odbiorników. Uformuj te podłoża za pomocą metalowych podkładek stykowych do łączenia chipa OE i rozchodzących się struktur sondujących za pomocą fotolitografii. W tym eksperymencie zastosowano podkładki wiążące Ni-Au o grubości 4 μm i rozchodzące się ścieżki sondujące na szklanych podłożach odbiornika.
- Następnie umieść dawcę w kontakcie z odbiorcą i zamontuj zestaw dawca-biorca na sterowanym komputerowo stoliku translacji X-Y.
UWAGA: W zależności od fazy materiału donorowego (np. ciało stałe (ind) lub ciecz (tusz/pasta)) i jego grubości, podłoża donora i odbiornika są umieszczane w optymalnej separacji, którą można łatwo kontrolować (np. za pomocą metalowych przekładek). - Skoncentruj padającą wiązkę laserową na granicy nośnej i dawcy za pomocą soczewki obiektywu o ogniskowej 160 mm i zeskanuj wiązkę (rozmiar plamki 20 μm) w poprzek podłoża dawcy w celu przeniesienia mikroguzków dawcy na podkładki wiążące odbiornika. Użyj pikosekundowego źródła lasera o długości fali 355 nm i czasie trwania impulsu 12 psec, aby PODNIEŚĆ guzki indu na podkładki łączące odbiornika z płynnością 270 mJ/cm2.
UWAGA: Właściwości lasera, takie jak energia, nie. Liczba impulsów, wysokość soczewki obiektywu, współrzędne dokładnego położenia na podłożu odbiornika do drukowania mikroguzków dawcy oraz pożądany wzór do przeniesienia są dokładnie kontrolowane przez program komputerowy. Kluczowe parametry eksperymentalne (np. fluencja transferu) muszą zostać zoptymalizowane w przypadku zastosowania innego źródła lasera. - W przypadku grubszych guzków przenieś dawcę na nowe miejsce i powtórz krok 1.1.4 kilka razy. Na przykład, powtórz krok 1.1.4 sześć razy, aby uzyskać stos 6 wybrzuszeń indu wydrukowanych jeden na drugim w tym eksperymencie. Końcowe uchylone guzki mają średnią wysokość ~ 1,5 μm i średnicę 20 μm (rysunek 2).
UWAGA: W tych eksperymentach profil powierzchni i grubość nierówności zostały zmierzone za pomocą profilometru optycznego. Zbadano, że guzki miały morfologię wypukłą/kopułową o średniej grubości 1,5 μm, uśrednionej w stosunku do średnicy guza (jak zaznaczono na żółto na rysunku 3). Powodem tego jest fakt, że donor topił się w strefie naświetlanej laserowo, a przenoszony granulat następnie ponownie zestalał się po dotarciu do powierzchni odbiornika (Ind ma niską temperaturę topnienia). Zaletą tego rozwiązania jest to, że zapewnia dobrą przyczepność wydrukowanego wybrzuszenia do klocków stykowych VCSEL.
- W celu przygotowania dawcy należy umieścić cienką warstwę materiału dawcy na przezroczystym laserowo podłożu nośnikowym. W tym eksperymencie odparuj warstwę indu o grubości 200 nm na szklanym podłożu nośnym o wymiarach: średnica 2 cale x grubość 0,05 cm.
- Klejenie termokompresyjne wiórów z podłożem (rysunki 4-6):
- Użyj półautomatycznego klejenia typu flip-chip do klejenia chipów optoelektronicznych z wypukłymi podłożami.
- Załaduj wypukły odbiornik i chip, który ma być przyklejony, na odpowiednie płyty próżniowe spawalnika. Umieść chip w pozycji odwróconej, tj. z jego aktywnym obszarem skierowanym w dół.
- Użyj odpowiedniego narzędzia do pobierania i wyrównaj je na środku wióra. Użyj narzędzia w kształcie igły, jak pokazano na rysunku 5. Następnie wybierz żeton za pomocą tego narzędzia do podnoszenia.
- Wyrównaj podkładki łączące chipy z odpowiednimi podkładkami stykowymi na podłożu odbiornika za pomocą systemu wyrównywania kamery.
- Po wyrównaniu umieść wiór na podłożu.
- Zastosuj jednocześnie ciepło (~ 200 °C) i ciśnienie (12,5 gf/uderzenie), aby uzyskać elektryczne i mechaniczne połączenia wióra z podłożem.
- Hermetyzacja zespołów klejonych (rysunki 4-6):
- Dozować optycznie przezroczysty klej wokół krawędzi klejonego zestawu za pomocą igły strzykawki. Obudowa zwiększa niezawodność mechaniczną zespołów klejonych. Użyj jednoskładnikowego kleju utwardzanego promieniami UV, takiego jak NOA 86, do hermetyzacji połączonych wiórów.
- Klej utwardzamy za pomocą lampy UV przez ~30 sek.
2. Charakterystyka laserów emitujących powierzchnię z pionową wnęką (VCSELs)
UWAGA: Po wyprodukowaniu następnym krokiem jest ocena wydajności elektrooptycznej połączonych zespołów. Krzywe światło-prąd-napięcie (LIV) urządzeń są rejestrowane po łączeniu za pomocą stacji pomiarowej. Do testowania potrzebne są następujące kroki:
- Umieść urządzenie połączone z flip-chipem na specjalnie wykonanej przezroczystej scenie. Stolik posiada otwór wywiercony w środku, który zapewnia łatwy dostęp do światła emitowanego przez VCSEL.
- Umieść fotodetektor (PD) pod przezroczystym stolikiem i wyrównaj jego obszar aktywny z połączonym chipem za pomocą mikroskopu.
- Precyzyjnie umieść igły pomiarowe na końcówkach sondujących Ni-Au za pomocą mikroskopu.
- Wstrzyknąć prąd do 10 mA i zmierzyć spadek napięcia na VCSEL oraz emitowane przez niego światło za pomocą odpowiednio miernika źródła prądu/napięcia i miernika mocy.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Rysunek 7 przedstawia typową krzywą LIV zarejestrowaną dla jednego z wielu chipów VCSEL połączonych metodą flip-chip. Dobra zgodność zmierzonej mocy optycznej z wartościami podanymi przez dostawcę wskazała na prawidłowe funkcjonowanie połączonych urządzeń po procesie bondowania. Krzywe zapisywano również przed i po enkapsulacji; porównanie tych wyników potwierdziło, że materiał enkapsulujący nie miał wpływu na funkcjonalność chipa (jak pokazano na Rysunku 7). Ponadto porównanie krzywych ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
W tym artykule zademonstrowaliśmy termokompresyjne wiązanie pojedynczych chipów VCSEL metodą flip-chip przy użyciu laserowej techniki bezpośredniego zapisu zwanej LIFT. Etapy produkcji montażu obejmowały wydrukowanie mikrowybrzuszeń indu na podkładkach stykowych podłoża przy użyciu techniki LIFT. Następnie nastąpiło termokompresyjne wiązanie chipów VCSEL z wypukłymi podłożami, a na końcu ich enkapsulacja.
Elektryczna, optyczna i mechaniczna niezawodność chipów klejonych wspomaganych podnośniki...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Ta praca została wykonana w ramach projektu "MIRAGE", finansowanego przez Komisję Europejską w ramach programu FP7.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Źródło laserowe | 3D MicroMac (3DMM) | 2912-295 | |
| Fotodetektor | Newport | 818 | |
| Źródłowa jednostka pomiarowa | Keithley | 2401 | |
| Miernik mocy | Newport | 1930 | |
| Underfill | Norlands | NOA 86 | |
| Lampa UV | Omnicure | Series 1000 Stacja | |
| Cascade Microtech | model 42 | ||
| Bonder typu flip-chip | Dr. Tresky | T-320 X |
Bibliografia
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
