Summary
Nous démontrons l'utilisation du transfert (LIFT) Forward technique induite par laser pour l'assemblage flip-chip de composants optoélectroniques. Cette approche fournit une, rentable, à basse température simple, solution rapide et flexible pour pas fin de supplantation et de collage sur la puce à l'échelle pour atteindre circuits à haute densité pour des applications optoélectroniques.
Abstract
Flip-chip (FC) l'emballage est une technologie clé pour la réalisation de haute performance, ultra-circuits miniaturisés et à haute densité dans l'industrie micro-électronique. Dans cette technique, la puce et / ou le substrat est heurté et les deux sont liés par ces bosses conductrices. De nombreuses techniques ont été développées de supplantation et de recherches intensives depuis l'introduction de la technologie FC en 1960 comme une impression au pochoir, stud bumping, l'évaporation et chimique / galvanoplastie 2. Malgré les progrès que ces méthodes ont fait, ils souffrent tous d'un ou plus d'un des inconvénients qui doivent être abordés tels que le coût, les étapes complexes de traitement, les températures élevées de traitement, temps de fabrication et surtout le manque de flexibilité. Dans cet article, nous démontrons une bosse technique basée laser simple et rentable formant connu sous le nom de transfert avant induite par laser (LIFT) 3. En utilisant la technique de LIFT une large gamme de matériaux de bosse peut be imprimés en une seule étape avec une grande flexibilité, haute vitesse et la précision à la température ambiante. En outre, LIFT permet de supplantation et liaison vers le bas la carte à puce à l'échelle, ce qui est essentiel pour la fabrication de circuits ultra-miniature.
Introduction
Induite par laser transfert vers l'avant (LIFT) est une écriture directe additif procédé de fabrication polyvalent pour la définition du motif en une seule étape et de transfert de matériel avec micron et sub-micronique résolution. Dans cet article, nous présentons l'utilisation de LIFT comme une technique pour cogner flip-chip emballage de cavité verticale émettant surface lasers VCSEL () sur une puce échelle. Flip-puce est une technologie clé dans l'emballage et l'intégration de (OE) composants électroniques et optoélectroniques système. Afin de parvenir à une intégration dense de composants liaison à pas fin est essentiel. Bien que la liaison à pas fin a été démontré par certaines des techniques standard, mais il ya un vide en termes de combiner ensemble les autres caractéristiques importantes telles que la flexibilité, la rentabilité, la vitesse, la précision et à faible température de traitement. Afin de répondre à ces exigences, nous démontrons procédé de collage assisté LIFT-thermo-compression pour bien collage de hauteur des composants OE.
En LIFT, un film mince du matériau à imprimer (dénommé donneur) est déposée sur une face d'un substrat de support transparent au laser (dénommé le transporteur). La figure 1 illustre le principe de base de cette technique. Une impulsion laser incident d'une intensité suffisante est alors concentré à l'interface support-donneur qui fournit la force de propulsion requise pour transmettre transférer le pixel de donneur de la zone irradiée sur un autre substrat (dénommé récepteur) placé à proximité immédiate.
LIFT a été signalée pour la première en 1986 par Bohandy comme une technique pour imprimer des lignes de cuivre de taille micronique pour réparer endommagés photo-masques 3. Depuis sa première démonstration de cette technique a suscité un intérêt important en tant que technologie de fabrication de micro-nano pour motifs contrôlée et l'impression d'une large gamme de matériaux tels que la céramique 4, 5, NTC QDs 6, 7 cellules vivantes, graphiqueène 8, pour diverses applications telles que les bio-capteurs 9, OLED 10, 11 composants optoélectroniques, capteurs plasmoniques 12, bio-électronique 13 et collage 14,15 flip-chip.
LIFT offre plusieurs avantages par rapport aux techniques de supplantation et de liaison flip-chip existants tels que la simplicité, la rapidité, la flexibilité, la rentabilité, de haute résolution et la précision des flip-chip emballage de composants OE.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. assisté LIFT-flip-chip Bonding
NOTE: Il ya trois étapes impliquées dans la réalisation des assemblages flip-chip assisté LIFT-, à savoir-micro-supplantation des substrats en utilisant la technique de LIFT, fixer les puces optoélectroniques aux substrats tombé utilisant thermo-compression procédé de collage flip-chip, et enfin encapsulation des assemblages collés. Chacune de ces étapes est discutée dans les sections suivantes:
- Micro-choc utilisant LIFT:
- Pour la préparation des donateurs, déposer un film mince du matériau donneur sur un substrat de support transparent au laser. Pour cette expérience, évaporer une couche épaisse de 200 nm d'indium métal sur le dessus du verre substrat de support avec les dimensions: 2 pouces de diamètre x 0,05 cm d'épaisseur.
REMARQUE: la méthode de préparation des bailleurs de fonds dépend de la phase du matériau donneur, par exemple, utiliser l'évaporation et la pulvérisation des matériaux de donateurs en phase solide et de spin-coating et le médecin à roues alignées pour en phase liquide donateurss. - Pour la préparation de récepteur, utiliser des substrats de verre avec des dimensions de 5 x 5 x 0,07 cm 3 que les récepteurs. Motif ces substrats avec les plots de contact métalliques pour lier la puce OE et fan-out sonder structures utilisant la photolithographie. Pour cette expérience, épais plots de Ni-Au modèle 4 um et fan-out sonder pistes sur des substrats du récepteur de verre.
- Ensuite, placez le donneur en contact avec le récepteur et monter l'ensemble des donateurs récepteur sur une platine de translation XY contrôlé par ordinateur.
NOTE: En fonction de la phase du matériau donneur (par exemple, solide (indium) ou liquide (encre / coller)) et son épaisseur, le donateur et les substrats du récepteur sont placés à une séparation optimale qui peut être facilement contrôlé (par exemple, par utilisant des entretoises métalliques). - Focaliser le faisceau laser incident à l'interface support-donateurs employant un objectif de 160 mm de focale et de balayer le faisceau (20 um de taille de spot) à travers le Substrat donneure pour transférer donateurs micro-bosses sur le récepteur obligataires tampons. Utilisez une source laser picoseconde de 355 nm de longueur d'onde et 12 durée d'impulsion psec LIFT bosses indium sur le récepteur obligataires tampons à une fluence de 270 mJ / cm 2.
REMARQUE: Les propriétés laser tels que l'énergie, non. d'impulsions, la hauteur de l'objectif, les coordonnées de l'emplacement précis sur le substrat du récepteur pour l'impression donateurs micro-chocs et le motif désiré être transférés sont contrôlés avec précision par un programme informatique. Paramètres expérimentaux clés (par exemple, le transfert fluence) doivent être optimisés en cas d'utilisation d'une autre source laser. - Pour bosses épaisses déplacer le donneur à un endroit frais et répétez l'étape 1.1.4 à plusieurs reprises. Par exemple, répétez l'étape 1.1.4 six fois pour obtenir une pile de 6 billes d'indium imprimés sur le dessus de l'autre pour cette expérience. La dernière levée bosses ont une hauteur moyenne de ~ 1,5 um et un diamètre de 20 pm (Figure 2).
NOTE: Pour ces expériments du profil de surface et l'épaisseur des bosses ont été mesurées en utilisant un profilomètre optique. On a examiné ce que les bosses ont une morphologie convexe / dôme avec une épaisseur moyenne de 1,5 pm, en moyenne sur le diamètre de la bosse (comme indiqué sur la figure 3 jaune). La raison de ceci est due au fait que le donneur fondu dans la zone irradiée par laser et la pastille re-transféré ensuite solidifiée après avoir atteint la surface de réception (indium a un point de fusion bas). L'avantage de ceci est que cela se traduit par une bonne adhérence de la bosse imprimé à des plots de contact VCSEL.
- Pour la préparation des donateurs, déposer un film mince du matériau donneur sur un substrat de support transparent au laser. Pour cette expérience, évaporer une couche épaisse de 200 nm d'indium métal sur le dessus du verre substrat de support avec les dimensions: 2 pouces de diamètre x 0,05 cm d'épaisseur.
- Chip au substrat soudage par thermo-compression (figures 4-6):
- Utilisez un semi-automatique flip-chip colle pour coller les puces optoélectroniques aux substrats tombé.
- Chargez le récepteur heurté et la puce à coller sur leurs plaques à vide respectives de la colle. Placez la puce dans une position inversée, ce est à dire, avec sa zone fac actifVERS LE HAUT.
- Utilisez un outil de pick-up approprié et l'aligner sur le centre de la puce. Utilisez un outil en forme d'aiguille, comme indiqué sur la Figure 5. Ensuite, choisissez la puce en utilisant cet outil de prise en charge.
- Alignez les puces obligataires tampons avec les plots de contact correspondants sur le substrat du récepteur en utilisant un système caméra-alignement.
- Une fois aligné lieu la puce sur le substrat.
- Appliquez de la chaleur (~ 200 ° C) et de pression (12,5 gf / bosse) simultanément de réaliser la puce au substrat interconnexions électriques et mécaniques.
- Encapsulation des assemblages collés (figures 4-6):
- Distribuer un adhésif optiquement transparent sur les bords de l'assemblage collé en utilisant une aiguille de seringue. L'encapsulation augmente la fiabilité mécanique des assemblages collés. Utilisez un seul composant adhésif à durcissement UV tels que NOA 86 pour encapsuler les puces collées.
- Durcir l'adhésif à l'aide d'une lampe UV pendant environ 30 sec.
2. La caractérisation des agglomérés à cavité verticale lasers à émission de surface (VCSEL)
NOTE: Après la fabrication de la prochaine étape consiste à évaluer la performance électro-optique des assemblages collés. Les courbes courant-tension-lumière (LIV) des appareils sont enregistrées post collage utilisant une station de sonde. Les étapes suivantes sont impliqués pour le test:
- Placez le flip-chip dispositif collé sur une scène transparente sur mesure. L'étape a un trou percé dans le centre pour un accès facile à la lumière émise par les VCSEL.
- Placer un photodétecteur (PD) au-dessous de l'étage transparent et aligner sa surface active de la puce de stockage au moyen d'un microscope.
- Positionner avec précision les aiguilles de sondage sur le Ni-Au sonder plaquettes en utilisant un microscope.
- Injecter jusqu'à 10 mA de courant et mesurer la chute de tension aux bornes du VCSEL et la lumière émise par celle-ci en utilisant un / tension unité source de courant et un compteur wattmètre restivement.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
La figure 7 montre une courbe typique de LIV qui a été enregistrée à partir de l'un des flip-chip de nombreuses puces collées VCSEL. Un bon match entre la puissance optique mesurée au fournisseur cité valeurs indiquées bon fonctionnement des dispositifs liés post collage. Les courbes ont également été enregistrées priorité et post-encapsulation et sur la comparaison on a vérifié que le produit d'enrobage avait aucun effet sur la fonctionnalité de la puce (comme représenté sur la figure 7). En outre, une comparaison entre les courbes IV enregistrés pour les VCSEL flip-chip douane et ceux enregistrés à partir d'une puce nue abouti à un bon match de ce fait, ce qui suggère une résistance supplémentaire négligeables encourus en raison des bosses levée (figure 8).
La robustesse mécanique des assemblages collés été testée en utilisant une machine de série Dage 4000. Les puces encapsulées ne se détachent du substrat sans être endommagés lors une force dé-cisaillement a été appliquée à eux, lereby, témoignant une très bonne fiabilité mécanique. La stabilité dans le temps des copeaux agglomérés et encapsulés a été évaluée en effectuant la norme 8585 (85 ° C et 85% d'humidité relative) des tests de vieillissement accéléré. Au cours de ces essais, les puces ont été gardés sous température et humidité contrôlées dans une chambre climatique pour un total de 400 heures. Les puces ont été contrôlées électriquement et optiquement à intervalles réguliers. La performance et la fonctionnalité des puces ne se dégradent pas, même après 400 heures dans la chambre climatique comme il ressort de la figure 9.
Figure 1. Schéma illustrant le principe de la technique de LIFT. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2. Micrographie optique d'un substrat du récepteur endommager assisté LIFT. L'encart montre une image agrandie d'un micro-indium bosse imprimé. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3. typiques des mesures de profilomètre optique des micro-bosses levées. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4. Représente les différentes étapes de la ee thermo-compression flip-chip collage de composants OE. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 5. micrographies optiques prises à différentes étapes de traitement. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 6. Image en microscopie optique d'une puce collée VCSEL flip-chip, vu de l'arrière du substrat de verre de réception. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une plus grande version de ce chiffre.
Figure 7. courbes de LIV typiques, constaté pendant une encapsulation avant et après flip-chip ensemble VCSEL. (Modifié de 15) Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 8. Comparaison des courbes IV enregistrées pour les assemblages flip-chip collées en utilisant différentes pressions avec ceux enregistrés à partir d'une puce nue. (Modifié de 15) Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 9. Terrain représentant les résultats des tests de vieillissement effectués sur les puces VCSEL liés. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dans cet article, nous avons démontré thermo-compression flip-chip collage des puces VCSEL simples en utilisant une technique d'écriture directe basé sur un laser appelé LIFT. Les étapes de fabrication assemblage impliqués impression des micro-bosses d'indium sur les plots de contact de substrat en utilisant la technique de LIFT. Cela a été suivi par thermo-compression flip-chip collage des puces VCSEL aux substrats heurté et enfin leur encapsulation.
Électriques, optiques et mécaniques fiabilité des puces collées assisté LIFT a été évaluée par la mesure de leurs courbes de Liv et effectuer des tests standards de vieillissement 8585. Les bons résultats obtenus pour la caractérisation optique, stabilité mécanique, et la durabilité mettent clairement en évidence le grand potentiel de la technique de LIFT comme une technologie d'interconnexion.
Il convient de mentionner que LIFT actuellement l'impression est limitée à des films minces quand il se agit de matériaux en phase solide et il est difficile de FRVT films plus épais (~ 10 um). Cela dit en pré-traitement des films de donateurs tels que pré-structuration les donateurs avant d'imprimer les 16 peuvent faire de levage de matériaux solides épais réalisables.
Pour conclure, LIFT offre une solution simple, très précise et flexible pour réaliser les interconnexions au niveau de la puce pour les applications nécessitant une seule puce de supplantation, de haute précision, la résolution et à pas fin pour les applications à haute densité flip-chip.
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).
