Summary
Мы демонстрируем использование прямого переноса (LIFT) методом лазерной индуцированной для флип-чип сборки оптико-электронных компонентов. Такой подход обеспечивает простой и экономически эффективной, низкой температуры, быстрое и гибкое решение для точной поле натыкаясь и связи на чипах масштабе для достижения схем высокой плотности для оптоэлектронных приложений.
Abstract
Флип-чип (FC) упаковка ключевая технология для реализации высокой производительности, ультра-компактными и высокой плотности схем в микро-электронной промышленности. В этой технике чип и / или субстрат столкнулись и два соединены с помощью этих токопроводящих ударов. Многие натыкаясь методы были разработаны и интенсивно изучается с введением технологии FC в 1960 1, такие как трафаретной печати, стад натыкаясь, испарения и неэлектролитического / гальванических 2. Несмотря на прогресс, эти методы сделали все, что они страдают от одного или более чем один недостатки, которые необходимо устранить такие как стоимость, сложных этапов обработки, высоких температур обработки, времени изготовления и, самое главное отсутствие гибкости. В этой статье мы демонстрируем простое и экономичное метод на основе лазера рельефа формирования известный как Лазерно-индуцированное прямого переноса (LIFT) 3. Используя технику поднять широкий спектр бамп материалов может бе напечатан в пошагового с большой гибкостью, высокой скоростью и точностью при комнатной температуре. Кроме того, лифт позволяет тряски и сцепление вплоть до чип-масштабе, что очень важно для изготовления ультра-миниатюрный схемы.
Introduction
Лазерно-индуцированное прямого переноса (LIFT) является универсальным прямым написать добавка способ изготовления определение шаблона одноступенчатой и передачи материала с микрона и субмикронных разрешения. В этой статье мы сообщили об использовании подъемной силы натыкаясь техники для флип-чип упаковки вертикально-излучающих лазеров лазеры (ВИЛ) на чип-шкалы. Флип-чип ключевой технологией в системе упаковки и интеграции электронных и оптоэлектронных компонентов (OE). Для достижения плотного интеграции компонентов с мелким шагом склеивание имеет важное значение. Хотя мелким шагом склеивание было продемонстрировано некоторые из стандартных методов, но есть пустота с точки зрения объединив другие важные функции, такие как гибкость, эффективность затрат, скорости, точности и низкой температуре обработки. В целях удовлетворения этих требований мы демонстрируем LIFT-помощь термо-сжатия способ соединения для мелким шагом склеивания OE компонентов.
В LIFT, тонкая пленка материала для печати (именуемого донора) осаждают на одной поверхности лазерной прозрачной подложке поддержки (именуемой несущей). Рисунок 1 иллюстрирует основной принцип этого метода. Падающий лазерный импульс достаточной интенсивности затем фокусируется на границе перевозчик доноров, что обеспечивает необходимую для прямого переноса донорской пиксель зоне облучения на другую подложку Движущая сила (называемая в качестве приемника), размещенные в непосредственной близости.
Лифт был впервые сообщалось в 1986 году Bohandy в качестве метода для печати микронных медных линий для ремонта поврежденных фото-маски 3. С момента первого показа этот метод приобрел значительный интерес в качестве технологии изготовления микро-нано для контролируемого рисунка и печати широкого спектра материалов, таких как керамика 4, углеродных нанотрубок 5, 6, КТ живых клеток 7, графаен 8, для различных приложений, таких как био-датчиков 9, светодиодов 10, оптоэлектронных компонентов 11, плазмонных датчиков 12, органо-электроники 13 и флип-чип сцепления 14,15.
LIFT предлагает несколько преимуществ по сравнению с существующими флип-чип натыкаясь и склеивания методы, такие как простота, скорость, гибкость, эффективность затрат, с высоким разрешением и точностью для флип-чип упаковки OE компонентов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. LIFT-помощь флип-чип Bonding
ПРИМЕЧАНИЕ: Есть три стадии, связанные с реализацией подъемно-помощь флип-чип собраний, а именно Микро-натыкаясь подложек с использованием техники лифт, крепления оптоэлектронные микросхемы в наткнулся субстратов с помощью термо-сжатия флип-чип способ соединения, и наконец, герметизация связанных узлов. Каждый из этих этапов рассматривается в следующих разделах:
- Micro-натыкаясь использованием лифт:
- Для приготовления доноров, нанесения тонкой пленки донорского материала на лазерном прозрачной подложке-носителе. Для этого эксперимента, испарять 200 нм пленки индия металла на верхней части стеклянной подложке с размерами: диаметром 2 дюйма х 0,05 см толщиной.
ПРИМЕЧАНИЕ: Способ приготовления донора зависит от фазы донорского материала, например, использовать испарение и распыление для твердой фазе донорского материала и спин-покрытие, и доктор коньках для жидкофазного донорас. - Для подготовки приемника, использовать стеклянные подложки с размерами 5 х 5 х 0,07 см 3 в качестве приемников. Шаблон эти субстраты с металлическими контактными площадками для склеивания чип OE и фан-аут зондирования конструкций с использованием фотолитографии. Для этого эксперимента, толстые колодки облигаций рисунок 4 мкм Ni-Au и фан-из зондирования треков на стекло приемника субстратов.
- Далее, поместите донора в контакте с приемником и установите сборку донор-приемник на компьютерным управлением этапе трансляции XY.
Примечание: В зависимости от фазы донорского материала (например, твердого вещества (индия) или жидкости (чернил / пасты)) и его толщины, донора и приемника субстратов помещают на оптимальном разделения, которые могут быть легко контролируемой (например, путем с помощью металлических прокладок). - Фокус падающего лазерного пучка на границе перевозчик доноров, использующего линзы объектива 160 мм Фокусное расстояние и сканирование луча (20 мкм размер пятна) по доноров substratе для передачи доноров микро-неровности на приемник облигаций колодки. Используйте пикосекундным лазерный источник 355 волны нм и 12 продолжительности пс импульсов поднять индия шишки на приемник облигаций колодки на флюенсом 270 мДж / см 2.
ПРИМЕЧАНИЕ: Лазер свойства, такие как энергия, нет. импульсов, объективной линзы высоты, координаты точное местоположение на приемнике подложки для печати доноров микро-ударов и желаемого рисунка должны быть переданы точно контролироваться с помощью компьютерной программы. Основные экспериментальные параметры (например, передача плотность потока), должны быть оптимизированы в случае использования другой лазерный источник. - Для более толстых ударов двигаться донора свежего области и повторить операцию 1.1.4 несколько раз. Например, повторить шаг 1.1.4 шесть раз, чтобы получить стопку 6 индия ударов, напечатанных на верхней части друг с другом для этого эксперимента. Окончательный поднял шишки имеют среднюю высоту ~ 1,5 мкм и диаметром 20 мкм (рис 2).
ПРИМЕЧАНИЕ: Для этих experimЭнты профиль поверхности и толщина ударов были измерены с помощью оптического профилометра. Это был осмотрен, что удары были выпуклый / купол морфологию со средней толщиной 1,5 мкм, в среднем по диаметру рельефа (как отмечено желтым на рисунке 3). Причина этого объясняется тем, что донор расплавленного в облученной лазером зоны и передаются осадок затем вновь затвердевает при достижении поверхности приемника (индий имеет низкую температуру плавления). Преимущество этого состоит в том, что это приводит к хорошей адгезии печатного удар на VCSEL контактных площадок.
- Для приготовления доноров, нанесения тонкой пленки донорского материала на лазерном прозрачной подложке-носителе. Для этого эксперимента, испарять 200 нм пленки индия металла на верхней части стеклянной подложке с размерами: диаметром 2 дюйма х 0,05 см толщиной.
- Чип с подложкой термо-сжатия сцепления (рис 4-6):
- Используйте полуавтоматическую флип-чип связующие вещества для склеивания оптоэлектронных чипов в наткнулся субстратов.
- Загрузите столкнулся приемник и чип быть связаны на своих вакуумных пластин для скрепления. Поместите фишку в перевернутом положении, т.е., с его активной области управления предприятиямичисле вниз.
- Используйте подходящий пикап инструмент и выровняйте его по центру чипа. Используйте инструмент игольчатую, как показано на рисунке 5. Затем выберите чип, используя этот захватывающий инструмент.
- Совместите чип облигаций колодки с соответствующими контактными площадками на ресивере подложки с использованием системы камеры выравнивания.
- После того, как выравнивается месте чип на подложке.
- Применение тепла (~ 200 ° С) и давление (12,5 гс / рельефа) одновременно понимать, чип на подложку электрические и механические взаимосвязи.
- Инкапсуляция склеенных узлов (рис 4-6):
- Не включать оптически прозрачный клей вокруг краев связанного узла с помощью шприца иглу. Инкапсуляции повышает механическую надежность таможенных собраний. Используйте один компонент УФ-отверждаемые клея, такого как NOA 86 для инкапсуляции облигационных фишки.
- Лечение клей с помощью УФ-лампы в течение ~ 30 сек.
2. Характеристика из вертикально-излучающих-излучающих лазеров связана (ВИЛ)
ПРИМЕЧАНИЕ: После изготовления Следующим шагом является оценка электро-оптических характеристик связанных узлов. Легкие тока напряжением (LIV) кривые приборов фиксируются пост-связывание с помощью зондовой станции. Следующие шаги участвуют в тестировании:
- Поместите флип-чип, связанный устройство на заказ прозрачной стадии. Этап имеет отверстие, просверленное в центре для легкого доступа к света, излучаемого вИЛ.
- Поставьте фотодетектор (ФД), под прозрачной стадии и привести ее активную область с облигационного чипа с помощью микроскопа.
- Точно позиционировать зондирования иглы на Ni-Au зондирования колодки с помощью микроскопа.
- Внедрить до 10 мА тока и измерить падение напряжения на ВИЛ и свет, испускаемый ею с помощью тока / напряжения источника измерительного устройства и измерителя мощности ВИЭpectively.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Фиг.7 показывает типичную кривую LIV, которое было записано в одном из многих флип-чип связанных VCSEL чипов. Хороший матч между измеренным оптической мощности поставщику цитирует значений, указанных успешное функционирование облигационного устройств после склеивания. Кривые были также зарегистрированы приоритет- и после инкапсуляции и при сравнении не было проверено, что герметик не повлиял на функциональность чипа (как показано на рисунке 7). Кроме того, сравнение между кривыми IV, записанных для флип-чип связанных ВИЛ и тех, которые записаны с голыми умереть в результате хороший матч Таким образом, предполагая, незначительное дополнительное сопротивление, возникшие в результате поднятой ударов (рисунок 8).
Механическая прочность склеенных сборок была проверена с помощью машины серии Dage 4000. Инкапсулированные чипы не отделяются от подложки без повреждений, когда сила умирают сдвига была применена к ним, вльтате, свидетельствующие очень хорошую механическую надежность. Стабильность в течение долгого времени из соединенных и инкапсулированных чипов оценивали путем проведения стандартной 8585 (85 ° C и 85% относительной влажности) Ускоренное старение тесты. Во время этих испытаний чипы держали при контролируемой температуре и влажности в климатической камере в течение в общей сложности 400 часов. Чипы были проверены электрически и оптически через регулярные промежутки времени. Производительность и функциональность микросхем не ухудшить даже после 400 ч в климатической камере как это видно из фиг.9.
Рисунок 1. Схема, иллюстрирующая принцип техники LIFT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2. Оптическая микрофотография LIFT-помощь столкнулся приемника подложке. На вставке показана увеличенное изображение печатного индия микро-удар. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 3. Типичные измерения оптического профилометра поднятой микро-ударов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 4. изображает различные этапы гое термо-сжатия флип-чип склеивание OE компонентов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 5. Оптические микрофотографии, сделанные на различных этапах обработки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 6. Оптический микроскоп образ флип-чип, связанного VCSEL чип, если смотреть с задней стороны приемника стеклянной подложке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть больше версия этой фигуры.
Рисунок 7. Типичные кривые латентных, записанные на флип-чип ВИЛ сборки предварительного и пост инкапсуляции. (С изменениями от 15) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 8. Сравнение кривых IV, записанных для сборок флип-чип связанных с использованием различных давлений с тех, которые записаны с голыми умереть. (С изменениями от 15) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 9. Участок с изображением результаты старения испытаний, выполненных на связанных ВИЛ чипов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В этой статье мы продемонстрировали, термо-сжатия флип-чип сцепление отдельные чипы ВИЛ с помощью метода, с прямым записи лазер на основе назывались подъемными. Шаги по изготовлению сборка, участвующие печать микро-ударов индия на подложке контактных площадок с использованием техники лифтом. Это сопровождалось термо-сжатия флип-чип склеивания ВИЛ фишки в наткнулся субстратов и, наконец, их заключения.
Электрические, оптические и механические надежность подъемно-помощь связанных фишек оценивали путем измерения их кривых Лив и выполнения стандартных 8585 испытаний на старение. Успешные результаты получены для оптического характеристики, механическую стабильность и долговечность всей очевидностью свидетельствуют о большой потенциал техники LIFT как технологии межсоединений.
Следует отметить, что в настоящее время LIFT печати ограничивается тонких пленок, когда дело доходит до твердофазных материалов, и это сложно LIFT более толстые пленки (~ 10 мкм). Сказав, что, предварительной обработки донорских такие фильмы, как предварительно рисунка доноров перед печатью их 16 можно сделать снятие толстых твердых материалов возможно.
В заключение, лифт предлагает простой, с высокой точностью и гибкое решение для реализации взаимосвязи чип-уровня для приложений, требующих однокристальные тряски, высокой точности, разрешение и мелким шагом для приложений флип-чип высокой плотности.
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).
