Summary
Dimostriamo l'uso della Forward Transfer (LIFT) tecnica laser-indotta per l'assemblaggio flip-chip componenti optoelettronici. Questo approccio fornisce un conveniente, a bassa temperatura semplice, soluzione veloce e flessibile per la messa a passo urti e incollaggio sul chip-scala per raggiungere i circuiti ad alta densità per applicazioni optoelettroniche.
Abstract
Flip-chip (FC) imballaggio è una tecnologia chiave per realizzare elevate prestazioni, circuiti ultra-miniaturizzato e alta densità nell'industria microelettronica. In questa tecnica il chip e / o il substrato è urtato ei due sono legati tramite questi urti conduttivi. Molte tecniche bumping sono state sviluppate e intensamente indagato dopo l'introduzione della tecnologia FC nel 1960 1 come la stampa stencil, stallone urto, l'evaporazione e electroless / galvanica 2. Nonostante i progressi che questi metodi hanno tutti soffrono di uno o più di inconvenienti che devono essere affrontati come costo, fasi di elaborazione complesse, alte temperature di lavorazione, il tempo di fabbricazione e soprattutto la mancanza di flessibilità. In questo lavoro, dimostriamo un laser-based urto tecnica di formatura semplice e conveniente nota come Laser indotta Transfer Forward (LIFT) 3. Utilizzando la tecnica LIFT una vasta gamma di materiali urto può be stampato in un unico passaggio, con grande flessibilità, ad alta velocità e la precisione a RT. Inoltre, LIFT permette di urtare e legame verso il basso per chip-scale, che è fondamentale per la realizzazione di un circuito ultra-miniatura.
Introduction
Laser-indotta Transfer Forward (LIFT) è un metodo di produzione versatile-scrittura diretta additivo per la definizione del modello single-step e il trasferimento di materiale con micron e sub-micron-risoluzione. In questo lavoro, si segnala l'uso di LIFT come tecnica sbattere per il confezionamento flip-chip verticale-cavità superficie di uscita laser (VCSEL) su un chip-scala. Flip-chip è una tecnologia chiave nella confezione sistema ed integrazione di (OE) componenti elettronici ed optoelettronici. Per raggiungere densa integrazione di componenti fini incollaggio pitch è essenziale. Anche se passo fine legame è stato dimostrato da alcune delle tecniche standard, ma c'è un vuoto in termini di combinare insieme le altre caratteristiche importanti come la flessibilità, economicità, velocità, precisione e bassa temperatura di lavorazione. Per soddisfare queste esigenze abbiamo dimostrato il metodo di incollaggio LIFT-assistita termo-compressione per passo fine incollaggio di componenti OE.
In LIFT, una sottile pellicola di materiale da stampare (denominato donatore) viene depositata su una faccia di un substrato di supporto laser trasparente (denominato carrier). La Figura 1 illustra il principio di base di questa tecnica. Un impulso laser incidente di intensità sufficiente viene poi concentrata all'interfaccia carrier-donatore che fornisce la forza propulsiva necessaria per trasmettere trasferire il pixel donatore dalla zona irradiata su un altro substrato (denominato ricevitore) posto in prossimità.
LIFT è stata segnalata per la prima nel 1986 da Bohandy come tecnica per stampare linee in rame micron di dimensioni per la riparazione di danni foto-maschera 3. Dalla sua prima dimostrazione questa tecnica ha raggiunto livelli significativi come tecnologia di fabbricazione di micro-nano per patterning controllata e la stampa di una vasta gamma di materiali come la ceramica 4, 5, CNT QD 6, 7 cellule viventi, il graficoene 8, per le diverse applicazioni, quali biosensori 9, OLED 10, componenti optoelettronici 11, sensori plasmoniche 12, organico-elettronica 13 e legame 14,15 flip-chip.
LIFT offre diversi vantaggi rispetto le flip-chip di urti e incollaggio tecniche esistenti, quali la semplicità, velocità, flessibilità, economicità, ad alta risoluzione e precisione per il confezionamento flip-chip componenti OE.
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Protocol
1. LIFT-assistita flip-chip Bonding
NOTA: Ci sono tre fasi coinvolte nella realizzazione assemblee flip-chip di LIFT-assistita, vale a dire-micro-urto dei substrati con la tecnica LIFT, allegando i chip optoelettronici ai substrati urtato con termo-compressione flip-chip di metodo di collegamento, e infine incapsulamento delle assemblee incollati. Ognuna di queste fasi è discusso nelle seguenti sezioni:
- Micro-urto con LIFT:
- Per la preparazione del donatore, depositare un film sottile di materiale donatore su un substrato portante laser-trasparente. Per questo esperimento, evaporare a 200 nm film spesso di metallo indio sopra vetro substrato di supporto con dimensioni: spessore del diametro x 0,05 centimetri 2 pollici.
NOTA: metodo di preparazione del donatore dipende dalla fase del materiale donatore, ad esempio, utilizzare evaporazione e sputtering per materiali donatori fase solida e spin-coating e medico-palettatura per donatore fase liquidas. - Per la preparazione del ricevitore, utilizzare substrati di vetro con dimensioni di 5 x 5 x 0,07 centimetri 3 come ricevitori. Motivo questi substrati con le pastiglie di contatto metallici per l'incollaggio il chip OE e fan-out di sondaggio strutture usando fotolitografia. Per questo esperimento, spessi rilievi obbligazionari Ni-Au pattern 4 micron e fan-out sondare piste su substrati di vetro del ricevitore.
- Quindi, posizionare il donatore in contatto con il ricevitore e montare il gruppo donatore-ricevente su una fase di traduzione XY controllata dal computer.
NOTA: A seconda della fase del materiale donatore (per esempio, solidi (indio) o liquido (inchiostro / incollare)) e il suo spessore, il donatore e substrati ricevitore sono posti a una separazione ottimale che può essere facilmente controllato (per esempio, mediante utilizzando distanziatori metallici). - Mettere a fuoco il fascio laser incidente all'interfaccia carrier-donatore impiegando un obiettivo da 160 mm di lunghezza focale e la scansione del fascio (20 micron dimensione dello spot) in tutto il substrat donatoree per il trasferimento dei donatori micro-urti sul ricevitore obbligazionari-pad. Utilizzare una sorgente laser al picosecondo di 355 nm di lunghezza d'onda e 12 durata dell'impulso psec a LIFT urti indio sul ricevitore obbligazioni pad alla fluenza di 270 mJ / cm 2.
NOTA: Le proprietà laser come l'energia, no. di impulsi, l'altezza della lente dell'obiettivo, coordinate della posizione esatta sul substrato ricevente per la stampa donatori micro-urti e il pattern desiderato da trasferire sono accuratamente controllata da un programma per computer. Parametri sperimentali chiave (ad esempio, il trasferimento di fluenza) devono essere ottimizzati in caso di utilizzo di un'altra sorgente laser. - Per urti spessi spostare il donatore a un luogo fresco e ripetere passo 1.1.4 più volte. Ad esempio, ripetere il punto 1.1.4 a sei volte per ottenere una pila di 6 dossi indio stampate su uno sopra l'altro per questo esperimento. La finale sollevò dossi hanno un'altezza media di circa 1,5 micron e un diametro di 20 micron (Figura 2).
NOTA: Per questi speriments il profilo della superficie e lo spessore degli urti sono stati misurati utilizzando un profilometro ottico. E 'stato verificato che le asperità avevano una morfologia convesso / cupola con uno spessore medio di 1,5 micron, una media di oltre il diametro urto (come indicato giallo in figura 3). La ragione di questo è attribuita al fatto che il donatore fuso nella zona laser irradiato e il pellet trasferito poi ri-solidificato raggiungimento superficie del ricevitore (Indium ha un basso punto di fusione). Il vantaggio di questo è che risulta in buona adesione della urto stampata alle piazzole di contatto VCSEL.
- Per la preparazione del donatore, depositare un film sottile di materiale donatore su un substrato portante laser-trasparente. Per questo esperimento, evaporare a 200 nm film spesso di metallo indio sopra vetro substrato di supporto con dimensioni: spessore del diametro x 0,05 centimetri 2 pollici.
- Chip al supporto adesivo termo-compressione (Figure 4-6):
- Utilizzare una semiautomatica flip-chip di bonder per incollare i chip optoelettronici ai substrati urtato.
- Caricare il ricevitore urtato e il chip da incollare sui rispettivi piatti vuoto del bonder. Posizionare il chip in posizione capovolta, cioè, con la sua area attiva facmento.
- Utilizzare un utensile prelevatore adatto e allinearlo al centro del chip. Utilizzare un utensile a forma di ago, come mostrato in Figura 5. Successivamente, scegliere il chip utilizzando questo strumento di accompagnamento.
- Allineare i chip di obbligazioni pad con le pastiglie di contatto corrispondenti sul substrato ricevitore utilizzando un sistema di telecamere di allineamento.
- Una volta allineato posto il chip sul substrato.
- Applicare calore (~ 200 ° C) e pressione (12,5 gf / urto) simultaneamente per realizzare chip substrato interconnessioni elettriche e meccaniche.
- Incapsulamento delle assemblee incollati (Figure 4-6):
- Erogare un adesivo otticamente trasparente attorno ai bordi del complesso legato utilizzando un ago della siringa. L'incapsulamento aumenta l'affidabilità meccanica degli assemblaggi incollati. Utilizzare un singolo componente UV adesivo curabile come NOA 86 per incapsulare i chip legati.
- Curare l'adesivo con una lampada UV per ~ 30 sec.
2. Caratterizzazione dei Bonded verticale-cavità superficie di uscita laser (VCSEL)
NOTA: Dopo la fabbricazione il prossimo passo è quello di valutare la performance elettro-ottico delle assemblee incollati. Il light-corrente-tensione (LIV) curve dei dispositivi sono registrati post-bonding utilizzando una stazione di sonda. Le seguenti operazioni sono coinvolti per la sperimentazione:
- Posizionare il flip-chip legato dispositivo su un palco trasparente su misura. Lo stadio ha un foro nel centro per un facile accesso alla luce emessa dai VCSEL.
- Inserire un fotorivelatore (PD) sotto la fase trasparente e allineare la sua area attiva con il chip incollato utilizzando un microscopio.
- Proprio posizionare gli aghi di sondaggio sul Ni-Au sonda pad utilizzando un microscopio.
- Iniettare fino a 10 mA di corrente e misurare la caduta di tensione attraverso il VCSEL e la luce emessa da utilizzando una corrente / tensione unità sorgente metri e un misuratore di potenza resture rispettivamente.
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Representative Results
La figura 7 mostra una curva tipica LIV che è stato registrato da uno dei tanti flip-chip di circuiti integrati VCSEL incollati. Una buona corrispondenza tra la potenza ottica misurata al fornitore citato valori indicati buon funzionamento del periferiche associate post-bonding. Le curve sono state registrate anche prior- e post-incapsulamento e sul confronto è stato verificato che l'incapsulante non ha avuto effetto sulla funzionalità del circuito integrato (come mostrato nella Figura 7). Inoltre, il confronto tra le curve IV registrati per le VCSEL flip-chip di legati e quelli registrati da un dado nudo portato in una buona partita così, suggerendo trascurabile resistenza supplementare sostenuto a causa degli urti sollevata (Figura 8).
La robustezza meccanica delle assemblee incollati è stata testata utilizzando una macchina di serie Dage 4000. I chip incapsulati non staccano dal substrato senza danneggiarsi quando una forza die-taglio è stata applicata ad essi, lareby, testimoniando un'ottima affidabilità meccanica. La stabilità nel tempo dei trucioli incollati e incapsulati stata valutata eseguendo lo standard 8585 (85 ° C e 85% umidità relativa) test di invecchiamento accelerato. Durante queste prove i chip sono stati tenuti a temperatura e umidità controllate in una camera climatica per un totale di 400 ore. I chip sono stati monitorati elettricamente e otticamente ad intervalli regolari. Le prestazioni e la funzionalità dei chip non si degradano anche dopo 400 ore in camera climatica come risulta dalla figura 9.
Figura 1. Schema che illustra il principio della tecnica LIFT. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Micrografia ottica di un ricevitore urtato substrato LIFT-assistita. L'inserto mostra un'immagine ingrandita di un indio micro-urto stampa. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. tipiche misure profilometro ottico delle micro-urti sollevato. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4. Rappresenta le diverse fasi in the termo-compressione flip-chip di incollaggio di componenti OE. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5. microscopio ottico prelevati in diverse fasi di lavorazione. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 6. Immagine al microscopio ottico di un flip-chip chip di VCSEL legato come visto dal retro del substrato ricevente vetro. Cliccate qui per vedere una più grande versione di questa figura.
Figura 7. Curve LIV tipiche registrati per un flip-chip assemblaggio VCSEL prima e dopo l'incapsulamento. (Modificata da 15) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 8. Confronto di curve IV registrati per le assemblee flip-chip di legante con diverse pressioni con quelli registrati da un dado nudo. (Modificata da 15) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 9. Plot raffiguranti i risultati dei test di invecchiamento eseguiti sui chip VCSEL incollati. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Discussion
In questo lavoro, abbiamo dimostrato termocompressione Flip-chip bonding di chip VCSEL singoli utilizzando una tecnica di scrittura diretta basata sul laser chiamato LIFT. Le fasi di fabbricazione assemblaggio coinvolte stampa dei micro-urti di indio sulle piazzole di contatto del substrato con la tecnica ascensore. Questo è stato seguito da termocompressione Flip-chip bonding di chip VCSEL ai substrati urtato e infine la loro incapsulamento.
Elettrica, ottica e meccanica affidabilità dei chip incollati LIFT-assistita è stata valutata misurando le loro curve LIV e l'esecuzione di test standard 8585 di invecchiamento. I risultati di successo ottenuti per caratterizzazione ottica, stabilità meccanica e durata nel tempo evidenziano chiaramente il grande potenziale della tecnica LIFT come tecnologia di interconnessione.
Va ricordato che attualmente ASCENSORE stampa è limitata a film sottili quando si tratta di materiali in fase solida ed è difficile da LIFT pellicole più spesse (~ 10 micron). Detto questo pre-elaborazione dei film donatori come la pre-patterning donatori prima di stampare le 16 può fare il sollevamento di materiali solidi spessi fattibili.
Per concludere, ASCENSORE offre una soluzione semplice, estremamente preciso e flessibile per realizzare interconnessioni a livello di chip per applicazioni che richiedono chip singolo urto, ad alta precisione, risoluzione e passo fine per applicazioni flip-chip di alta densità.
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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 |
References
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