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Engineering

激光诱导转发转移单人死于倒装芯片封装

Published: March 20, 2015 doi: 10.3791/52623

Summary

我们演示了如何使用激光诱导转发转移(LIFT)技术光电元器件的倒装芯片组装的。这种方法提供了一种简单,经济有效的,低的温度下,细间距凸点和粘结片上大规模用于光电应用实现高密度电路快速且灵活的解决方案。

Abstract

倒装芯片(FC)封装是一个关键的技术用于实现在微电子工业的高性能,超小型化和高密度电路。在该技术中,芯片和/或所述衬底撞着和两个通过这些导电性凸点接合。许多凸点技术已被开发,并自1960年1诸如模版印刷,螺柱凸点,蒸发和电解/电镀2引入FC技术的深入研究。尽管进展,这些方法都取得了它们都从一个遭受或需要解决诸如成本,复杂的处理步骤,加工温度高,制造时间,最重要的是,缺乏灵活性多个缺点。在本文中,我们展示了被称为激光诱导转发转移(LIFT)的简单和具有成本效益的基于激光的凸点形成技术3。使用LIFT技术广泛凹凸材料可以BË打印在单步具有很大的灵活性,高的速度和准确性在RT。另外,升降机使凸起和接合向下芯片级,它是用于制造超微型电路是至关重要的。

Introduction

激光诱导的正向转移(LIFT)是用于单步模式定义及与微米和亚微米分辨率材料转移一个多功能直写添加剂的制造方法。在本文中,我们报告一个芯片级利用LIFT作为凸点技术的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)倒装芯片封装。倒装芯片在系统封装和集成的电子和光电(OE)组件的关键技术。为了实现致密的集成组件的精细间距焊接是必不可少的。虽然细间距粘接已经证明通过一些标准技术,但有在组合在一起的其他重要特性,如柔软性,成本效益,速度,精度和低加工温度方面的空隙。为了满足这些要求,我们证明LIFT辅助热压粘合方法,OE组件的精细间距焊接。

以LIFT,要被打印的材料(称为供体 )的薄膜沉积到一个表面上的激光的透明支撑基板(简称为载体 )的, 图1示出了这种技术的基本原理。足够的强度的入射激光脉冲然后聚焦在载波施主接口,提供转发来自照射区中的供体像素转移到另一衬底上所需地放于靠近所述推进力(称为接收器 )。

LIFT最早在1986报道Bohandy作为一种技术来打印微米大小的铜线用于修复受损的光掩模3。因为它的第一示范这一技术已获得显著兴趣作为微纳米制造技术的受控图案化和打印的各种材料,如陶瓷4,碳纳米管5,量子点6,活细胞7,图烯8,对于不同的应用,例如生物传感器9中,有机发光二极管10,光电元件11,电浆传感器12,有机电子器件13和倒装芯片键合14,15。

升降机相比具有若干优点,例如简单性,速度,灵活性,成本效益,高分辨率和准确性的OE组件的倒装芯片封装的现有倒装芯片凸点和粘结技术。

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Protocol

1. LIFT辅助倒装芯片粘接

注意:有参与实现升降辅助倒装芯片组件中,即微凸点利用提技术的基板,使用热压倒装芯片接合方法将所述光电芯片的凸点基板三个阶段,并最后封装保税组件。每一个阶段将在以下部分中讨论:

  1. 使用LIFT微碰撞:
    1. 为供体的制备,沉积的施主材料的薄膜上的激光透明载体衬底。对于本实验,蒸发铟金属的200nm厚的薄膜上的尺寸为玻璃载体基片顶部:直径为2英寸×0.05厘米厚度。
      注:供体的制备方法依赖于供体材料的相, 例如,可以使用蒸发和溅射用于固相施主材料和旋涂和刮涂用于液相施主秒。
    2. 对于接收机制备,使用的玻璃基板为5×5×0.07厘米3作为接收机的尺寸。图案这些基板与金属接触垫用于粘结在OE芯片和扇出探测使用光刻结构。对于本实验,图案4微米厚的镍金结合垫和扇出探测轨道到玻璃基板接收机。
    3. 接下来,将与接收器的接触捐赠并安装捐助接收器组装到一个计算机控制XY翻译阶段。
      注意:根据供体材料( 例如,固体(铟)或液体(墨/膏))和它的厚度,供体和接收器衬底的相位被设置在可容易地控制( 例如,通过一个最佳分离使用金​​属垫片)。
    4. 聚焦入射激光束在所述载体给予体界面采用160毫米焦距的物镜和扫描横跨施主substrat梁(20微米光斑尺寸)Ë传输捐助微颠簸到接收器焊点。使用的355纳米波长和12微秒的脉冲持续时间的皮秒激光源解除铟凸点到接收机焊点在270毫焦耳/ cm 2的注量。
      注:激光性能如能量,没有。脉冲,物镜的高度,坐标印刷施主微凸点接收基板和待转移准确通过计算机程序来控制所希望的图形上的精确位置的。关键实验参数( 例如,传输的注量)需要的情况下使用其他激光源进行优化。
    5. 对于较厚的颠簸将捐赠到一个新的区域,并重复步骤1.1.4几次。例如,重复步骤1.1.4六次以获得一摞印​​刷在彼此的顶部上对这个实验6铟凸点。最后解除凸块具有〜1.5微米的平均高度和直径为20微米( 图2)。
      注:对于这些experim需求测试凸点的表面轮廓和厚度,使用光学轮廓仪进行测定。据检查,该凸块具有一个凸/圆顶的形态为1.5微米的平均厚度,平均凸起直径(如标记为黄色的图3)。这样做的原因是由于这样的事实,所述施主熔化在激光照射区域和转移沉淀后再固化在到达接收器的表面(氧化铟具有低的熔点)。这样做的好处是,它会导致在印刷凸点给VCSEL接触垫的良好的附着力。
  2. 芯片到基片热压粘合( 图4-6):
    1. 使用半自动倒装芯片键合机用于粘结光电芯片到碰着衬底。
    2. 加载撞到接收机和芯片被粘合到粘结剂各自的真空板。将芯片在翻转位置, 即,其活动区域FAC荷兰国际集团下跌。
    3. 使用一个合适的拾取工具和对准它在芯片的中心。使用的针形工具, 如图5接下来,挑使用该拾取工具的芯片。
    4. 对齐的芯片键合焊盘与使用照相机对准系统接收基板上的相应接触垫。
    5. 一旦对准位置在基板上的芯片上。
    6. 施加热(〜200℃)和压力(12.5克力/凸点)同时实现芯片到衬底的电气和机械互连。
  3. 封装保税组件( 图4-6)的:
    1. 分配围绕接合组件的使用注射器针的边缘的光学透明粘合剂。封装增加了粘合组件的机械可靠性。使用单组分型紫外线硬化粘合剂,如NOA 86,用于封装所述接合的芯片。
    2. 固化用UV灯为〜30秒的粘合剂。

保税垂直腔面发射激光器的2表征(VCSEL的)

注:制造后的下一个步骤是评价粘合组件的电光性能。器件的光 - 电流 - 电压(LIV)的曲线被记录使用探针台后的粘接。涉及的测试步骤如下:

  1. 放置倒装接合装置上定制的透明阶段。舞台上有钻孔的中心,方便访问由VCSEL器件发出的光孔。
  2. 放置一个光检测器(PD)的下方的透明阶段,并与使用显微镜的接合芯片调整其活性区域。
  3. 精确定位的镍金的探测针用显微镜探测垫。
  4. 注入高达10mA的电流,并测量整个VCSEL的电压降并使用一个电流/电压源米单元通过它发射的光和功率计水库pectively。

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Representative Results

图7示出了从许多倒装接合的VCSEL芯片之一被记录,一个典型的LIV曲线。测量光功率给供应商之间的良好匹配引用值所指示的绑定设备后粘接的成功运作。该曲线也被记录优先和后封装和比较后可知,得到密封剂已经没有对芯片的功能影响( 见图7)。另外,记录的倒装接合的VCSEL和那些从裸片记录的IV曲线之间的比较产生了很好的匹配,从而,这表明由于发生向解除凸块( 图8)可以忽略不计的额外的阻力。

使用达哥4000系列机粘合组件的机械耐用性进行了测试。从衬底而不会损坏被封装的芯片没有分离时芯片剪切力被施加到它们,则reby,证明了很好的机械可靠性。在键合和封装芯片时的稳定性是通过进行标准8585(85℃和85%相对湿度)的加速老化试验来评价。在这些测试中的碎片在气候室中保持控制温度和湿度下,总共400小时的。该芯片被定期监控光与电。芯片的性能和功能,如从图9中清楚没有降低,即使经过400小时,在气候室中。

图1
图1.示意图说明LIFT技术的原理。 请点击此处查看该图的放大版本。


电梯辅助撞接收基板图2.光学显微照片。插图显示了印刷铟微凸起的放大图像。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3
图中举起微颠簸3.典型的光学轮廓测量。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4
图4描绘涉及第各个步骤ËOE组件热压倒装芯片键合。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5
在不同的处理采取的步骤图5.光学显微照片。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6
图6.光学显微镜从接收机玻璃基板的背面看倒装芯片粘合片VCSEL的形象。 请点击此处查看大图版本这个数字。

图7
记录的倒装芯片VCSEL组装前和后封装。(15修改) 图7.典型的LIV曲线 请点击此处查看该图的放大版本。

图8
图录使用不同的压力与从裸模。(15修改) 录得保税倒装芯片组件IV曲线比较8. 请点击此处查看该图的放大版本。

总是“> 图9
图9.情节描绘对保税VCSEL芯片进行老化测试的结果。 请点击此处查看该图的放大版本。

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Discussion

在本文中,我们已经证明了使用称为LIFT激光的直接写入技术单个VCSEL芯片热压倒装接合。所涉及的微凸点铟的印刷到利用提技术在基片接触焊点的组件的制造步骤。其次的VCSEL芯片热压倒装接合到撞底物和最终的封装。

电梯辅助接合芯片的电学,光学和机械可靠性是通过测量它们的LIV曲线和执行标准8585老化试验来评价。光学特性,机械稳定性所获得的成功,和耐用性明显突出LIFT技术作为一种互连技术的巨大潜力。

应该提到的是,目前LIFT打印仅限于薄膜,当涉及到固相的材料,这是具有挑战性的LIFŤ较厚的膜(〜10微米)。话说,通过预处理施主膜如预图案化该供体之前打印它们16可以使可行较厚固体材料升降。

最后,电梯提供了一种简单,高精确度和灵活的解决方案,以实现芯片级互连为需要的单芯片凸点,高精确度,分辨率和细间距为高密度倒装芯片应用的应用程序。

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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

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References

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Tags

物理学,第97,电梯,直写,倒装芯片,互连,铟,微凸起,热压,VCSEL
激光诱导转发转移单人死于倒装芯片封装
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Cite this Article

Kaur, K. S., Van Steenberge, G.More

Kaur, K. S., Van Steenberge, G. Laser-induced Forward Transfer for Flip-chip Packaging of Single Dies. J. Vis. Exp. (97), e52623, doi:10.3791/52623 (2015).

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