Summary
Vi demonstrere bruk av laser-indusert Forward Transfer (LIFT) teknikk for flip-chip montering av optiske komponenter. Denne tilnærmingen gir en enkel og kostnadseffektiv, lav temperatur, rask og fleksibel løsning for finraster bumping og bonding på chip-skala for å oppnå høy tetthet kretser for optoelektroniske applikasjoner.
Abstract
Flip-chip (FC) emballasje er en viktig teknologi for å realisere høy ytelse, ultra-miniatyrisert og høy tetthet kretser i mikro-elektronikk industrien. I denne teknikken brikken og / eller substratet er truffet, og de to er bundet via disse ledende støt. Mange bumping teknikker har blitt utviklet og intensivt undersøkt siden innføringen av FC-teknologien i 1960 en som sjablong utskrift, stud bumping, fordampning og electro / galvanisering 2. Til tross for fremgang at disse metodene har gjort de alle lider av en eller flere enn én ulemper som må tas opp som kostnader, komplekse behandlingstrinn, høye prosessering temperaturer, produksjon tid og viktigst mangel på fleksibilitet. I denne artikkelen viser vi en enkel og kostnadseffektiv laserbaserte bump forming teknikk kjent som Laser-indusert Forward Transfer (LIFT) 3. Bruke LIFT teknikken et bredt spekter av bump materialer kan be trykt i en enkelt trinn med stor fleksibilitet, høy hastighet og nøyaktighet ved RT. I tillegg gjør LIFT bumping og bonding ned til chip-skala, som er avgjørende for å fabrikkere ultra-miniatyr kretser.
Introduction
Laser-indusert Forward Transfer (LIFT) er en allsidig direkte skrive additiv produksjonsmetode for single-trinns mønster definisjon og materialoverføring med mikron og sub-mikron-oppløsning. I denne artikkelen rapporterer vi bruk av LIFT som en bumping teknikk for flip-chip pakking av vertikal-hulrom overflate-emitting lasere (VCSELs) på en chip-skala. Flip-chip er en viktig teknologi i system emballasje og integrering av elektroniske og optiske (OE) komponenter. For å oppnå en tett integrering av komponenter fine pitch binding er viktig. Selv om fine pitch bonding har blitt demonstrert av noen av de vanlige teknikker, men det er et tomrom når det gjelder å kombinere sammen de andre viktige funksjoner som fleksibilitet, kostnadseffektivitet, hurtighet, nøyaktighet og lav behandling temperatur. For å møte disse kravene viser vi LIFT-assistert termo-komprimering bonding metode for fine pitch liming av OE komponenter.
I LIFT, en tynn film av materialet som skal trykkes (referert til som donor) er avsatt på en flate av en laser-transparent bærer substrat (referert til som den bærer). Figur 1 viser den grunnleggende prinsipp for denne teknikken. En innfallende laserpuls av tilstrekkelig intensitet blir så fokusert på bæreren donor grensesnitt som gir den drivkraft som kreves for å videresende overføre donor piksel fra den bestrålte sonen til et annet substrat (referert til som mottaker) plassert i umiddelbar nærhet.
LIFT ble først rapportert i 1986 av Bohandy som en teknikk for å skrive ut mikron-størrelse kobberlinjer for å reparere skadede foto-masker 3. Siden den første demonstrasjonen av denne teknikken har fått betydelig interesse som en mikro-nano fabrikasjon teknologi for kontrollert mønster og utskrift av et bredt spekter av materialer som keramikk 4, CNTs 5, QDS 6, levende celler 7, grafEne 8, for diverse applikasjoner som bio-sensorer 9, OLED 10, optiske komponenter 11, Plasmonic sensorer 12, organisk-elektronikk 13 og flip-chip bonding 14,15.
LIFT tilbyr flere fordeler i forhold til de eksisterende flip-chip bumping og bonding teknikker som enkelhet, hurtighet, fleksibilitet, kostnadseffektivitet, høy oppløsning og nøyaktighet for flip-chip pakking av OE komponenter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. LIFT-assistert Flip-chip Bonding
MERK: Det er tre stadier involvert i å realisere LIFT-assistert flip-chip forsamlinger, nemlig-mikro-bumping av underlag ved hjelp av LIFT teknikk, feste optoelektroniske chips til de bumped underlag ved hjelp av termo komprimering flip-chip bonding metode, og endelig innkapsling av de limte sammenstillingene. Hver av disse fasene er omtalt i følgende avsnitt:
- Micro-bumping hjelp LIFT:
- For donor preparat, avsette en tynn film av donormateriale på en laser-transparent bærersubstratet. For dette eksperimentet, fordampe en 200 nm tykk film av indium metall på toppen av glass bærersubstratet med dimensjoner: 2 cm diameter x 0,05 cm tykkelse.
MERK: Donor fremstillingsmetode avhenger av fasen av donor materiale, f.eks, bruk fordampning og forstøvning for fast fase donormateriale og spin-coating og lege blading for væskefase-donors. - For forberedelse mottaker, bruker glass underlag med dimensjoner på 5 x 5 x 0,07 cm 3 som mottakerne. Mønster disse substrater med de metalliske kontakt pads for liming av OE chip og fan-out sondering strukturer ved hjelp av fotolitografi. For dette eksperimentet, mønster 4 mikrometer tykke Ni-Au obligasjons pads og fan-out sondering spor over på glass mottaker underlag.
- Deretter plasserer donor i kontakt med mottakeren og montere donor-mottaker enheten på en datastyrt XY oversettelse scenen.
MERK: Avhengig av hvilken fase av donor materiale (f.eks, solid (indium) eller væske (blekk / lim)) og dens tykkelse, giver og mottaker-substrater er plassert på en optimal separasjon som lett kan kontrolleres (for eksempel ved ved hjelp av metalliske avstandsstykker). - Fokuserer den innfallende laserstråle på bæreren donor grensesnitt som anvender en objektivlinse med 160 mm brennvidde og skanne bjelken (20 um punktstørrelse) på tvers av donor substrate for overføring av donormikro humper på mottakerobligasjons-pads. Bruk en picosecond laser kilde til 355 nm bølgelengde og 12 psec puls varighet å LØFTE indium humper på mottakerobligasjons-pads på en innflytelse på 270 mJ / cm 2.
MERK: De laser egenskaper som energi, nei. pulser, objektivlinse høyde, koordinater for nøyaktig plassering på mottakeren substrat for trykking donormikro støt, og det ønskede mønster som skal overføres, blir nøyaktig styrt av et dataprogram. Sentrale eksperimentelle parametre (f.eks overføring Fluence) må være optimalisert ved hjelp av en annen laser kilde. - For tykkere støt bevege giver til et friskt område og gjenta trinn 1.1.4 flere ganger. For eksempel, gjenta trinn 1.1.4 seks ganger for å få en bunke med seks indium humper trykt oppå hverandre for dette eksperimentet. Den endelige løftet støt har en gjennomsnittlig høyde på ~ 1,5 mikrometer og en diameter på 20 pm (figur 2).
MERK: For disse experimentene overflateprofilen og tykkelsen av støt ble målt ved bruk av en optisk profilometer. Det ble kontrollert at støt hadde en konveks / kuppel morfologi med en midlere tykkelse på 1,5 um, i gjennomsnitt over diameteren bump (som markert gult i figur 3). Grunnen til dette skyldes det faktum at donor smeltet i laseren bestrålt sonen og overføres pellet deretter re-stivnet ved å nå frem til mottakeren overflate (Indium har et lavt smeltepunkt). Fordelen med dette er at det resulterer i god adhesjon til det trykte brak til VCSEL kontaktputene.
- For donor preparat, avsette en tynn film av donormateriale på en laser-transparent bærersubstratet. For dette eksperimentet, fordampe en 200 nm tykk film av indium metall på toppen av glass bærersubstratet med dimensjoner: 2 cm diameter x 0,05 cm tykkelse.
- Chip til underlaget termo-komprimering bonding (figur 4-6):
- Bruk en halvautomatisk flip-chip bønder for å binde de optoelektroniske chips til de dunket underlag.
- Laste dunket mottakeren og chip som skal limes på sine respektive vakuum plater av bønder. Plassere chip i en vippet stilling, det vil si, med sin aktive området facing ned.
- Bruk en passende pick-up verktøy og juster den på midten av chip. Bruke en nål formet verktøy, som vist i figur 5. Deretter velger brikken ved hjelp av denne henting verktøyet.
- Justere chip obligasjons-pads med de tilsvarende kontaktputene på mottakeren underlaget med et kamera-alignment system.
- Når de er rettet sted brikken på substratet.
- Påfør varme (~ 200 ° C) og trykk (12,5 gf / bump) samtidig for å realisere chip til underlaget elektriske og mekaniske sammenkoblinger.
- Innkapsling av de limte forsamlinger (Figurene 4-6):
- Dispensere en optisk transparent klebemiddel rundt kantene av det bundne sammenstillingen ved hjelp av en sprøytenål. Innkapslingen øker den mekaniske pålitelighet av de sammenføyde sammenstillingene. Bruke en enkelt komponent UV-herdet lim som NOA 86 for innkapsling av de sammenføyde chips.
- Herding av klebemidlet ved hjelp av en UV-lampe for ~ 30 sek.
2. Karakterisering av Bonded Vertikal-hulrom Surface-utslipp Lasers (VCSELs)
MERK: Etter fabrikasjon neste steg er å vurdere den elektro-optisk ytelse av de limte forsamlinger. Lys-strøm-spenning (LIV) kurver på enhetene et resultat etter binding ved hjelp av en sonde stasjon. Følgende trinn er involvert for testing:
- Plasser flip-chip limt enhet på en skreddersydd gjennomsiktig scenen. Scenen har et hull boret i sentrum for enkel tilgang til lyset slippes ut av VCSELs.
- Plassere en fotodetektor (PD) under den gjennomsiktige stadium og justere dens aktive område med det bundne brikken ved hjelp av et mikroskop.
- Nettopp posisjonere sondering nåler på Ni-Au sondering pads ved hjelp av et mikroskop.
- Injisere opptil 10 mA strøm og måle spenningsfallet over VCSEL og lyset slippes ut av det ved hjelp av en strøm / spenningskilde-meter enhet og en kraftmåler respectively.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 7 viser en typisk LIV kurve som ble tatt fra en av de mange flip-chip limt VCSEL chips. En god kamp mellom den målte optisk effekt til leverandøren sitert verdiene angitt vellykket funksjon av limt enheter post-binding. Kurvene ble også registrert fØr og etter innkapsling, og ved sammenligning ble det bekreftet at innkapslingsmiddelet hadde ingen innvirkning på chip-funksjonalitet (som vist i figur 7). Også, resulterte en sammenligning mellom IV kurver noterte for flip-chip limt VCSELs og de som føres fra et nakent dør i en god kamp og dermed, noe som tyder på ubetydelig ekstra motstand påløper på grunn av den løftede støt (Figur 8).
Den mekaniske robusthet av de limte forsamlinger ble testet ved hjelp av en Dage 4000-serien maskin. De innkapslede chips ikke løsner fra underlaget uten å bli skadet når en die-skjærkraft ble brukt til dem,reby, vitnet en meget god mekanisk pålitelighet. Den stabilitet over tid av de bundne og innkapslede chips ble evaluert ved å utføre standard 8585 (85 ° C og 85% relativ fuktighet) akselererte aldringstester. I løpet av disse testene chips ble holdt under kontrollert temperatur og fuktighet i et klimakammer for totalt 400 timer. Sjetongene ble overvåket elektrisk og optisk med jevne mellomrom. Ytelsen og funksjonaliteten av sjetongene ikke dårligere selv etter 400 timer i klimakammer som er klart fra figur 9.
Figur 1. Skjematisk illustrerer prinsippet om LIFT teknikk. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Optisk micrograph av en LIFT-assistert bumped mottaker underlaget. Det innfelte viser et forstørret bilde av en trykt indium mikro-bump. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Typiske optisk profilometer målinger av den løftede mikro humper. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. viser de forskjellige trinn involvert i the termo-komprimering flip-chip liming av OE komponenter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. Optiske mikrografer tatt ved ulike behandlingstrinn. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6. Optisk mikroskop bilde av en flip-chip limt VCSEL chip sett fra baksiden av mottakeren glass underlaget. Klikk her for å se et større versjon av denne figur.
Figur 7. Typiske LIV kurver registrert for en flip-chip VCSEL forsamlingen før og etter innkapsling. (Modifisert fra 15) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8. Sammenligning av IV kurver registrert for flip-chip forsamlinger limt ved hjelp av ulike trykk med de som er registrert fra en naken dø. (Modifisert fra 15) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9. Plott som viser resultatene av aldring tester utført på de limte VCSEL chips. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denne artikkelen har vi vist termo-komprimering flip-chip liming av enkelt VCSEL chips ved hjelp av en laserbasert direkte skrive teknikk kalt LØFT. Forsamlingen fabrikasjon trinnene involvert utskrift av mikro humper av indium på underlaget kontakt pads bruker LIFT teknikk. Dette ble etterfulgt av termo-komprimering flip-chip liming av VCSEL chips til de bumped underlag og til slutt deres innkapsling.
Elektro, optisk og mekanisk pålitelighet av heisen-assistert limt chips ble evaluert ved å måle deres LIV kurver og resultater standard 8585 eldningsforsøk. De vellykkede resultatene oppnådd for optisk karakterisering, mekanisk stabilitet og holdbarhet tydelig markere det store potensialet for LIFT teknikk som en sammenkoblingsteknologien.
Det bør nevnes at tiden LØFT utskriften er begrenset til tynne filmer når det kommer til fast-fase materialer, og det er utfordrende å LIFT tykkere filmer (~ 10 mikrometer). Når det er sagt av pre-prosessering giver filmer som pre-mønstring av givere før du skriver dem 16 kan gjøre løfting av tykkere solide materialer gjennomførbart.
For å konkludere, LIFT tilbyr en enkel, svært nøyaktig og fleksibel løsning for å realisere chip-nivå sammenkoblinger for applikasjoner som krever single-chip bumping, høy nøyaktighet, oppløsning og fine-pitch for høy tetthet flip-chip-applikasjoner.
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).
