एकल मर जाता है फ्लिप चिप पैकेजिंग के लिए लेजर प्रेरित फॉरवर्ड स्थानांतरण

Summary

हम optoelectronic घटकों का दूसरा चिप विधानसभा के लिए लेजर प्रेरित फॉरवर्ड स्थानांतरण (लिफ्ट) तकनीक के उपयोग के प्रदर्शन। यह दृष्टिकोण एक सरल, लागत प्रभावी, कम तापमान, Optoelectronic अनुप्रयोगों के लिए उच्च घनत्व सर्किट को प्राप्त करने के लिए चिप पैमाने पर bumping ठीक-पिच और संबंधों के लिए तेजी से और लचीला समाधान प्रदान करता है।

Abstract

फ्लिप-चिप (एफसी) पैकेजिंग माइक्रो इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में उच्च प्रदर्शन, छोटी-अल्ट्रा और उच्च घनत्व सर्किट को साकार करने के लिए एक महत्वपूर्ण तकनीक है। इस तकनीक में चिप और / या सब्सट्रेट टकरा जाता है और दो इन प्रवाहकीय धक्कों के माध्यम से बंधुआ रहे हैं। कई bumping तकनीक विकसित की है और अधिकता 1960 ^एक ऐसी स्टैंसिल मुद्रण, संवर्धन bumping, वाष्पीकरण और electroless के रूप में / ² विद्युत में एफसी प्रौद्योगिकी की शुरूआत के बाद से जांच की गई है। इन तरीकों वे सभी एक से ग्रस्त हैं या लागत, जटिल प्रसंस्करण कदम, उच्च तापमान प्रसंस्करण, विनिर्माण समय और लचीलेपन के सबसे महत्वपूर्ण बात यह कमी के रूप में इस तरह के संबोधित करने की आवश्यकता है कि एक से अधिक कमियां बना दिया है कि प्रगति के बावजूद। इस पत्र में, हम लेजर प्रेरित फॉरवर्ड स्थानांतरण (लिफ्ट) के रूप में जाना एक सरल और लागत प्रभावी लेजर आधारित टक्कर गठन तकनीक ³ प्रदर्शित करता है। लिफ्ट तकनीक टक्कर सामग्री की एक विस्तृत श्रृंखला का उपयोग कर सकते हैं खआरटी पर महान लचीलापन, उच्च गति और सटीकता के साथ एक एकल-चरण में मुद्रित ई। इसके अलावा, लिफ्ट अल्ट्रा लघु circuitry के fabricating के लिए महत्वपूर्ण है जो चिप पैमाने पर, करने के लिए नीचे bumping और संबंधों में सक्षम बनाता है।

Introduction

लेजर प्रेरित फॉरवर्ड स्थानांतरण (लिफ्ट) एकल कदम पैटर्न परिभाषा और माइक्रोन और उप माइक्रोन संकल्प के साथ सामग्री के हस्तांतरण के लिए एक बहुमुखी प्रत्यक्ष लिखने additive विनिर्माण विधि है। इस पत्र में, हम एक चिप पैमाने पर खड़ी-गुहा सतह उत्सर्जन लेसरों (VCSELs) का दूसरा चिप पैकेजिंग के लिए एक bumping तकनीक के रूप में लिफ्ट के उपयोग की रिपोर्ट। फ्लिप-चिप सिस्टम पैकेजिंग और इलेक्ट्रॉनिक और optoelectronic (ँ) घटकों के एकीकरण में एक महत्वपूर्ण तकनीक है। घटकों के घने एकीकरण को प्राप्त करने के क्रम में ठीक पिच संबंध आवश्यक है। ठीक पिच संबंध मानक तकनीक के कुछ लोगों द्वारा प्रदर्शन किया लेकिन ऐसे लचीलापन, लागत प्रभावशीलता, गति, सटीकता और कम तापमान प्रसंस्करण के रूप में अन्य महत्वपूर्ण विशेषताएं एक साथ संयोजन के मामले में एक शून्य है किया गया है। इन आवश्यकताओं को पूरा करने के क्रम में हम ँ घटकों के ठीक पिच के संबंधों के लिए लिफ्ट की मदद से थर्मामीटरों संपीड़न संबंध विधि प्रदर्शित करता है।

एल मेंIFT, (दाता के रूप में) मुद्रित करने के लिए सामग्री की एक पतली फिल्म (वाहक के रूप में करने के लिए कहा गया है) एक लेजर-पारदर्शी समर्थन सब्सट्रेट के एक चेहरे पर जमा किया जाता है। एक इस तकनीक के बुनियादी सिद्धांत को दर्शाया गया है चित्रा। पर्याप्त तीव्रता की एक घटना लेजर पल्स तो पास में रखा (रिसीवर के रूप में करने के लिए कहा गया है) एक और सब्सट्रेट पर विकिरणित क्षेत्र से दाता पिक्सेल हस्तांतरण अग्रेषित करने के लिए आवश्यक पहुंचा बल प्रदान करता है कि वाहक-दाता इंटरफेस पर केंद्रित है।

लिफ्ट पहले क्षतिग्रस्त फोटो मास्क ³ की मरम्मत के लिए माइक्रोन आकार तांबे लाइनों मुद्रित करने के लिए एक तकनीक के रूप में Bohandy द्वारा 1986 में सूचना मिली थी। इसके पहले प्रदर्शन के बाद इस तकनीक को इस तरह के मिट्टी के ^4, CNTs ^5, QDs में ⁶ के रूप में सामग्री की एक विस्तृत श्रृंखला के नियंत्रित patterning और मुद्रण, जीवित कोशिकाओं ^7, ग्राफ के लिए एक माइक्रो-नैनो निर्माण प्रौद्योगिकी के रूप में महत्वपूर्ण ब्याज प्राप्त किया हैईन ^8, इस तरह के जैव-सेंसर ^9, OLEDs के ^10, optoelectronic घटकों ^11, plasmonic सेंसर ^12, कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक्स ¹³ और फ्लिप चिप संबंध ^14,15 के रूप में विविध अनुप्रयोगों के लिए।

लिफ्ट ऐसे ँ घटकों के फ्लिप चिप पैकेजिंग के लिए सादगी, गति, लचीलापन, लागत प्रभावशीलता, उच्च संकल्प और सटीकता के रूप में मौजूदा फ्लिप चिप bumping और संबंध तकनीकों पर कई लाभ प्रदान करता है।

Protocol

1. लिफ्ट की मदद से फ्लिप चिप संबंध

नोट: वहाँ, लिफ्ट की मदद से फ्लिप चिप विधानसभाओं, लिफ्ट तकनीक का उपयोग कर substrates के अर्थात्-सूक्ष्म bumping साकार थर्मामीटरों संपीड़न फ्लिप चिप संबंध विधि का उपयोग टकरा substrates के लिए Optoelectronic चिप्स संलग्न में शामिल तीन चरण हैं, और बंधुआ विधानसभाओं के अंत में encapsulation के। इन चरणों में से प्रत्येक निम्न अनुभागों में चर्चा की है:

1. लिफ्ट का उपयोग करते हुए माइक्रो bumping:
   1. दाता तैयारी के लिए, एक लेजर-पारदर्शी वाहक सब्सट्रेट पर दाता सामग्री की एक पतली फिल्म जमा। इस प्रयोग के लिए, आयाम के साथ कांच के वाहक सब्सट्रेट के शीर्ष पर ईण्डीयुम धातु का एक 200 एनएम मोटी फिल्म लुप्त हो: 2 इंच व्यास x 0.05 सेमी मोटाई।
      नोट: दाता तैयारी विधि जैसे, वाष्पीकरण का उपयोग करें और ठोस चरण दाता सामग्री के लिए sputtering और स्पिन कोटिंग और डॉक्टर-blading तरल चरण दाता के लिए, दाता सामग्री के चरण पर निर्भर करता हैएस।
   2. रिसीवर तैयारी के लिए, रिसीवर के रूप में 5 एक्स 5 एक्स 0.07 सेमी ³ के आयामों के साथ substrates कांच का उपयोग करें। पैटर्न फोटोलिथोग्राफी का उपयोग कर संरचनाओं की जांच कर रही ँ चिप और प्रशंसक आउट संबंध के लिए धातु के संपर्क पैड के साथ इन substrates। इस प्रयोग के लिए, पैटर्न चार माइक्रोन मोटी नी-ओ बंधन पैड और प्रशंसक आउट कांच रिसीवर substrates पर पटरियों की जांच कर रही।
   3. अगला, रिसीवर के साथ संपर्क में दाता जगह और एक कंप्यूटर नियंत्रित XY अनुवाद मंच पर दाता-रिसीवर विधानसभा माउंट।
      नोट: दाता सामग्री (जैसे, ठोस (ईण्डीयुम) या तरल (स्याही / पेस्ट)) और इसकी मोटाई, दाता और रिसीवर substrates के चरण पर निर्भर करता है कि आसानी से जैसे, द्वारा (नियंत्रित किया जा सकता है कि एक इष्टतम जुदाई पर रखा जाता है ) धातु spacers के प्रयोग से।
   4. दाता substrat भर किरण (20 माइक्रोन स्थान आकार) 160 मिमी फोकल लंबाई का एक उद्देश्य लेंस को रोजगार वाहक-दाता इंटरफेस में घटना लेजर बीम ध्यान और स्कैनरिसीवर बंधन-पैड पर दाता सूक्ष्म धक्कों स्थानांतरित करने के लिए ई। 270 MJ / ² सेमी की एक प्रभाव में रिसीवर बंधन-पैड पर ईण्डीयुम धक्कों लिफ्ट करने के लिए 355 एनएम तरंगदैर्ध्य और 12 psec नाड़ी की अवधि का एक picosecond लेजर स्रोत का उपयोग करें।
      नोट: इस तरह ऊर्जा के रूप में लेजर गुण, नहीं। दालों, उद्देश्य लेंस ऊंचाई की, मुद्रण दाता सूक्ष्म धक्कों के लिए रिसीवर सब्सट्रेट और सही ढंग से एक कंप्यूटर प्रोग्राम द्वारा नियंत्रित कर रहे हैं स्थानांतरित करने के लिए वांछित पैटर्न पर सटीक स्थान का समन्वय करता है। कुंजी प्रयोगात्मक मानकों (जैसे, स्थानांतरण प्रभाव) एक और लेजर स्रोत का उपयोग करने के मामले में अनुकूलित किया जाना चाहिए।
   5. मोटा धक्कों एक ताजा क्षेत्र के लिए दाता को स्थानांतरित और कदम 1.1.4 कई बार दोहराने के लिए। उदाहरण के लिए, इस प्रयोग के लिए एक दूसरे के शीर्ष पर मुद्रित 6 ईण्डीयुम धक्कों के एक ढेर पाने के लिए कदम 1.1.4 छह बार दोहराएँ। अंतिम धक्कों 1.5 माइक्रोन ~ के एक औसत ऊंचाई और 20 माइक्रोन (चित्रा 2) की एक व्यास को उठा लिया।
      नोट: ये experim के लिएपिता धक्कों की सतह प्रोफ़ाइल और मोटाई एक ऑप्टिकल profilometer का उपयोग करके मापा गया था। (चित्रा 3 में पीले रंग के रूप में चिह्नित के रूप में) यह समान 1.5 माइक्रोन के एक औसत मोटाई के साथ एक उत्तल / गुंबद आकृति विज्ञान था कि जांच की गई थी, टक्कर व्यास से अधिक औसत। इस के लिए कारण दाता लेजर विकिरणित क्षेत्र में पिघल गए और हस्तांतरित गोली तो (ईण्डीयुम एक कम पिघलने बिंदु है) रिसीवर सतह पर पहुंचने पर फिर से जम तथ्य यह है कि जिम्मेदार ठहराया है। इस का लाभ यह VCSEL संपर्क पैड करने के लिए मुद्रित टक्कर का अच्छा आसंजन में यह परिणाम है।
2. चिप थर्मामीटरों संपीड़न संबंध सब्सट्रेट करने के लिए (4-6 आंकड़े):
   1. टकरा substrates के लिए Optoelectronic चिप्स संबंधों के लिए एक semiautomatic फ्लिप चिप bonder का प्रयोग करें।
   2. टकरा रिसीवर और चिप bonder के अपने संबंधित वैक्यूम प्लेटों पर बंधुआ हो लोड करें। अपनी सक्रिय क्षेत्र कारकों के साथ, यानी, एक से फ़्लिप स्थिति में चिप रखेंनीचे आईएनजी।
   3. एक उपयुक्त पिकअप उपकरण का उपयोग करें और चिप के केंद्र पर यह पंक्ति में। चित्रा 5 में दिखाया गया के रूप में एक सुई के आकार का उपकरण का उपयोग करें। इसके बाद, इस पिकअप उपकरण का उपयोग कर चिप उठाओ।
   4. एक कैमरा-संरेखण प्रणाली का उपयोग कर रिसीवर सब्सट्रेट पर इसी संपर्क पैड के साथ चिप बंधन-पैड संरेखित करें।
   5. एक बार जगह सब्सट्रेट पर चिप गठबंधन।
   6. विद्युत और यांत्रिक interconnections के सब्सट्रेट करने के लिए चिप का एहसास करने के लिए एक साथ गर्मी (~ 200 डिग्री सेल्सियस) और दबाव (12.5 GF / टक्कर) लागू करें।
3. बंधुआ विधानसभाओं (4-6 आंकड़े) के encapsulation:
   1. एक सिरिंज सुई का उपयोग बंधुआ विधानसभा के किनारों के आसपास एक ऑप्टिकली पारदर्शी चिपकने वाला बांटना। encapsulation के बंधुआ विधानसभाओं के यांत्रिक विश्वसनीयता बढ़ जाती है। बंधुआ चिप्स encapsulating के लिए NOA 86 के रूप में इस तरह के एक घटक यूवी का इलाज चिपकने का प्रयोग करें।
   2. ~ 30 सेकंड के लिए एक यूवी लैंप का उपयोग कर चिपकने वाला इलाज।

बंधुआ कार्यक्षेत्र गुहा भूतल उत्सर्जन लेजर 2. विशेषता (VCSELs)

नोट: निर्माण के बाद अगले कदम के बंधुआ विधानसभाओं के विद्युत ऑप्टिकल प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए है। उपकरणों की प्रकाश-वर्तमान वोल्टेज (Liv) घटता एक जांच स्टेशन का उपयोग कर के बाद संबंधों में दर्ज हैं। निम्न चरणों के परीक्षण के लिए शामिल कर रहे हैं:

1. एक कस्टम बनाया पारदर्शी मंच पर डिवाइस बंधुआ फ्लिप चिप रखें। मंच VCSELs द्वारा उत्सर्जित प्रकाश के लिए आसान पहुँच के लिए केंद्र में drilled एक छेद है।
2. पारदर्शी मंच के नीचे एक फोटोडिटेक्टर (पीडी) प्लेस और एक माइक्रोस्कोप का उपयोग बंधुआ चिप के साथ अपनी सक्रिय क्षेत्र संरेखित।
3. ठीक एक माइक्रोस्कोप का उपयोग पैड की जांच कर रही नी-ओ पर जांच कर रही सुइयों की स्थिति।
4. वर्तमान के 10 मा अप करने के लिए इंजेक्षन और VCSEL भर में वोल्टेज ड्रॉप और एक वर्तमान / वोल्टेज स्रोत मीटर इकाई का उपयोग कर यह द्वारा उत्सर्जित प्रकाश और एक बिजली मीटर रिस मापनेpectively।

Representative Results

7 चित्रा कई फ्लिप चिप बंधुआ VCSEL चिप्स के एक से दर्ज की गई थी कि एक विशिष्ट LIV वक्र से पता चलता है। आपूर्तिकर्ता को मापा ऑप्टिकल शक्ति के बीच एक अच्छा मैच मूल्यों बंधुआ उपकरणों के बाद संबंधों के सफल संचालन संकेत दिया उद्धृत। घटता भी prior- और बाद encapsulation के दर्ज किए गए और तुलना पर यह (चित्रा 7 में दिखाया गया है) encapsulant कोई चिप कार्यक्षमता पर असर पड़ा कि सत्यापित किया गया था। इसके अलावा, फ्लिप चिप बंधुआ VCSELs और एक नंगे मरने से दर्ज की गई उन लोगों के लिए दर्ज चतुर्थ घटता के बीच एक तुलना उठाया समान है (चित्रा 8) की वजह से किए गए नगण्य अतिरिक्त प्रतिरोध, सुझाव है जिससे एक अच्छा मैच में हुई।

बंधुआ विधानसभाओं के यांत्रिक ruggedness के एक DAGE 4000 श्रृंखला मशीन का उपयोग कर परीक्षण किया गया था। एक मर-कतरनी बल उन्हें करने के लिए लागू किया गया था जब समझाया चिप्स क्षतिग्रस्त हो रही बिना सब्सट्रेट से अलग नहीं किया थाreby, एक बहुत अच्छा यांत्रिक विश्वसनीयता गवाही। बंधुआ और समझाया चिप्स के समय के साथ स्थिरता मानक 8585 (85 डिग्री सेल्सियस और 85% सापेक्ष आर्द्रता) के त्वरित उम्र परीक्षण प्रदर्शन द्वारा मूल्यांकन किया गया था। इन परीक्षणों के दौरान चिप्स 400 घंटा की कुल के लिए एक जलवायु चैम्बर में नियंत्रित तापमान और आर्द्रता के तहत रखा गया था। चिप्स नियमित अंतराल पर विद्युत और ऑप्टिकली निगरानी की गई। 9 चित्रा से स्पष्ट है के रूप में चिप्स का प्रदर्शन और कार्यक्षमता जलवायु चैम्बर में जाने के बाद भी 400 घंटा नीचा नहीं था।

चित्रा 1. योजनाबद्ध लिफ्ट तकनीक के सिद्धांत illustrating। इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

एक लिफ्ट की मदद से टकरा रिसीवर सब्सट्रेट चित्रा 2. ऑप्टिकल माइक्रोग्राफ। इनसेट एक मुद्रित ईण्डीयुम सूक्ष्म टक्कर के एक बढ़ाया छवि को दर्शाता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा उठाया सूक्ष्म धक्कों 3. ठेठ ऑप्टिकल profilometer माप। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4 वें में शामिल विभिन्न चरणों दर्शाया गयाई ँ घटकों के थर्मो-संपीड़न फ्लिप चिप संबंध। इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

विभिन्न प्रसंस्करण कदम पर लिया चित्रा 5. ऑप्टिकल micrographs। इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

रिसीवर गिलास सब्सट्रेट की पीठ से देखा के रूप में एक फ्लिप चिप बंधुआ VCSEL चिप के 6 चित्रा ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप छवि। एक बड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें इस आंकड़े के संस्करण।

एक फ्लिप चिप VCSEL विधानसभा से पहले और बाद में encapsulation। ⁽¹⁵ से संशोधित) के लिए दर्ज चित्रा 7. ठेठ LIV घटता इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा एक नंगे मर जाते हैं। ⁽¹⁵ से संशोधित) से दर्ज की गई उन लोगों के साथ विभिन्न दबावों का उपयोग कर बंधुआ फ्लिप चिप विधानसभाओं के लिए दर्ज चतुर्थ घटता 8. तुलना में यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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बंधुआ VCSEL चिप्स पर प्रदर्शन उम्र बढ़ने के परीक्षण के परिणामों का चित्रण चित्रा 9. प्लॉट। इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Discussion

इस पत्र में, हम लिफ्ट नामक एक लेजर आधारित प्रत्यक्ष लिखने तकनीक का उपयोग कर एक VCSEL चिप्स के थर्मो-संपीड़न फ्लिप चिप संबंध का प्रदर्शन किया है। लिफ्ट तकनीक का उपयोग कर सब्सट्रेट संपर्क पैड पर ईण्डीयुम के सूक्ष्म धक्कों के मुद्रण शामिल विधानसभा निर्माण चरणों। इस थर्मामीटरों संपीड़न फ्लिप चिप टकरा substrates के लिए VCSEL चिप्स के संबंध और अंत में उनके encapsulation के द्वारा पीछा किया गया था।

लिफ्ट की मदद से बंधुआ चिप्स की बिजली, ऑप्टिकल और यांत्रिक विश्वसनीयता उनके LIV घटता मापने और मानक 8585 उम्र बढ़ने परीक्षण प्रदर्शन द्वारा मूल्यांकन किया गया था। सफल परिणाम ऑप्टिकल लक्षण, यांत्रिक स्थिरता के लिए प्राप्त की है, और स्थायित्व स्पष्ट रूप से एक आपस में प्रौद्योगिकी के रूप में लिफ्ट तकनीक की काफी संभावना पर प्रकाश डाला।

यह ठोस चरण सामग्री के लिए आता है जब यह वर्तमान में पतली फिल्मों तक ही सीमित है, मुद्रण लिफ्ट उल्लेख किया जाना चाहिए और यह LIF को चुनौती दे रहा हैटी फिल्मों मोटा (~ 10 माइक्रोन)। द्वारा इस तरह उन्हें ¹⁶ संभव मोटा ठोस सामग्री के उठाने के लिए कर सकते हैं मुद्रण के लिए पहले दाताओं पूर्व patterning के रूप में दाता फिल्मों पूर्व प्रसंस्करण के बाद कहा।

लिफ्ट उच्च घनत्व फ्लिप चिप अनुप्रयोगों के लिए एकल चिप bumping, उच्च सटीकता, संकल्प और ठीक पिच की आवश्यकता होती है अनुप्रयोगों के लिए चिप स्तर interconnections के एहसास करने के लिए एक सरल, बेहद सटीक और लचीला समाधान प्रदान करता है, समाप्त करने के लिए।

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