Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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:
- Micro-stoten behulp LIFT:
- 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. - 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.
- 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). - 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. - 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.
- 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.
- Chip om thermo-compressie hechtingsondergrond (figuren 4-6):
- Gebruik een halfautomatische flip-chip bonder voor het verlijmen van de opto-elektronische chips naar het gestoten substraten.
- 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.
- 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.
- Lijn de chip obligatie-pads met de bijbehorende contacten op de ontvanger substraat met behulp van een camera-uitlijning systeem.
- Eenmaal uitgelijnd plaats de chip op het substraat.
- Verwarm (-200 ° C) en druk (12,5 gf / bump) tegelijkertijd chip realiseren elektrische en mechanische verbindingen substraat.
- Inkapseling van de gebonden assemblages (figuren 4-6):
- 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.
- 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:
- 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.
- Plaats een fotodetector (PD) onder de transparante fase en lijn zijn actieve gebied met de gebonden chip met behulp van een microscoop.
- Nauwkeurig positioneren de indringende naalden op de Ni-Au indringende pads met behulp van een microscoop.
- 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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 curves genoteerd voor de flip-chip gebonden VCSELs en die zijn opgenomen van een kale matrijs resulteerde in een goede match daardoor suggereert verwaarloosbare extra weerstand gemoeid met de opgeheven hobbels (figuur 8).
De mechanische robuustheid van de gebonden assemblages werd getest met behulp van een Dage 4000 serie machine. De ingekapselde chips niet los van de ondergrond, zonder beschadigd te raken wanneer er een die-dwarskracht op hen werd toegepast, deReby, getuigen van een zeer goede mechanische betrouwbaarheid. De stabiliteit in de tijd van de gebonden en ingekapselde chips werd geëvalueerd door het uitvoeren van de standaard 8585 (85 ° C en 85% relatieve vochtigheid) versnelde verouderingstests. Bij deze proeven de chips onder gecontroleerde temperatuur en vochtigheid werden gehouden in een klimaatkamer voor totaal 400 uur. De chips werden elektrisch en optisch regelmatig gecontroleerd. De prestaties en mogelijkheden van de chips niet worden afgebroken, zelfs na 400 uur in de klimaatkamer zoals blijkt uit figuur 9.
Figuur 1. Schematische illustratie van het principe van de LIFT-techniek. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 2. Optische microfoto van een-LIFT bijgestaan botste ontvanger substraat. De inzet toont een vergroot beeld van een gedrukte indium micro-bult. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3. Typische optische profilometer metingen van de opgeheven micro-hobbels. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 4 toont de verschillende stappen die bij the thermo-compressie flip-chip bonding van OE-onderdelen. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 5. Optische microfoto genomen op verschillende processtappen. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 6. optische microscoop beeld van een flip-chip gebonden VCSEL chip, gezien vanaf de achterzijde van de ontvanger glazen substraat. Klik hier voor een grotere weergave versie van deze figuur.
Figuur 7. Typische LIV curves opgenomen voor een flip-chip VCSEL assemblage, voor en na inkapseling. (Gewijzigd van 15) Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 8. Vergelijking van IV curves opgenomen voor flip-chip assemblages gebonden met behulp van verschillende drukken met die zijn opgenomen van een kale sterven. (Gewijzigd van 15) Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 9. Plot beeltenis van de resultaten van het ouder worden testen uitgevoerd op de gebonden VCSEL chips. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 betrouwbaarheid van de-LIFT bijgestaan gebonden chips werd geëvalueerd door het meten van hun LIV bochten en het uitvoeren van standaard 8585 veroudering testen. De succesvolle resultaten verkregen voor optische karakterisering, mechanische stabiliteit en duurzaamheid duidelijk benadrukken het grote potentieel van de LIFT-techniek als een interconnect technologie.
Opgemerkt wordt dat nog HEF afdrukken beperkt tot dunne films als het gaat om vaste fase materiaal en het is moeilijk om LIFT dikkere films (~ 10 urn). Dat gezegd hebbende door pre-verwerking van de donor films zoals pre-patroonvorming van de donoren voorafgaand aan het afdrukken hiervan 16 kan het opheffen van dikkere vaste materialen haalbaar te maken.
Tot slot, LIFT biedt een eenvoudige, zeer nauwkeurige en flexibele oplossing voor chip-level interconnecties voor toepassingen die een single-chip stoten, hoge nauwkeurigheid, resolutie en fine-pitch voor high-density flip-chip toepassingen te realiseren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 |
References
- 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).
