Summary
Se demuestra el uso de la transferencia (LIFT) técnica Forward inducida por láser para el montaje flip-chip de componentes optoelectrónicos. Este enfoque proporciona una, rentable y de baja temperatura simple, solución rápida y flexible para chocar de paso fino y unión en el chip escala para alcanzar circuitos de alta densidad para aplicaciones optoelectrónicas.
Abstract
Flip-chip (FC) de envasado es una tecnología clave para la realización de alto rendimiento, circuitos de ultra miniaturizado y de alta densidad en la industria microelectrónica. En esta técnica el chip y / o el sustrato es golpeado y los dos están unidos a través de estos topes conductores. Muchas de las técnicas que chocan se han desarrollado e intensamente investigado desde la introducción de la tecnología FC en 1960 1, tales como la impresión de la plantilla, golpes espárrago, la evaporación y electrolítico / galvanoplastia 2. A pesar del progreso que estos métodos han hecho todos ellos sufren de una o más de uno inconvenientes que deben abordarse tales como el costo, las etapas de procesamiento complejas, las temperaturas altas de procesamiento, el tiempo de fabricación y lo más importante la falta de flexibilidad. En este trabajo se demuestra una protuberancia técnica simple y rentable basado en láser que forma conocida como inducida por láser Transferencia Forward (LIFT) 3. Utilizando la técnica LIFT una amplia gama de materiales bump puede be impreso en un solo paso con gran flexibilidad, alta velocidad y precisión a TA. Además, LIFT permite al chocar y unión a chip de escala, lo cual es fundamental para la fabricación de circuitos de ultra-miniatura.
Introduction
Laser-inducida Transferencia Forward (LIFT) es un directo escribir método de fabricación aditiva versátil para definición del patrón de un solo paso y de transferencia de material con micrones y sub micrones de resolución. En este trabajo, nos informe el uso de LIFT como técnica chocar para el envasado flip-chip de cavidad vertical de emisión de superficie láseres (VCSEL) en una escala de chip. Flip-chip es una tecnología clave en envases sistema y la integración de (OE) componentes electrónicos y optoelectrónicos. Con el fin de lograr la integración densa de los componentes de unión de paso fino es esencial. Aunque unión paso fino ha sido demostrado por algunas de las técnicas estándar, pero hay un vacío en términos de combinar juntos las otras características importantes tales como la flexibilidad, la rentabilidad, la velocidad, la precisión y la baja temperatura de procesamiento. Con el fin de cumplir con estos requisitos demostramos método de unión LIFT-asistida termo-compresión para la unión de paso fino de los componentes de OE.
En LIFT, una película delgada de material a ser impreso (denominado el donante) se deposita sobre una cara de un sustrato de soporte transparente al láser (referido como el portador). La Figura 1 representa el principio básico de esta técnica. Un pulso de láser incidente de suficiente intensidad se centra entonces en la interfaz carrier-donante que proporciona la fuerza propulsora necesaria para reenviar transferir el pixel de donantes de la zona irradiada sobre otro sustrato (referido como el receptor) situado en las proximidades.
LIFT se informó por primera vez en 1986 por Bohandy como una técnica para imprimir las líneas de cobre de tamaño micrométrico para la reparación de daños foto-máscaras 3. Desde su primera demostración de esta técnica ha ganado un interés significativo como una tecnología de fabricación de micro-nano para el patrón controlado y la impresión de una amplia gama de materiales tales como la cerámica, 4 CNTs 5, 6 puntos cuánticos, las células vivas 7, gráficoeno 8, para diversas aplicaciones tales como biosensores 9, OLEDs 10, componentes optoelectrónicos 11, sensores plasmónicas 12, orgánico-electrónica 13 y la unión 14,15 flip-chip.
LIFT ofrece varias ventajas sobre los golpes y técnicas de unión flip-chip existentes, como la simplicidad, velocidad, flexibilidad, rentabilidad, alta resolución y precisión para el envasado de flip-chip de componentes de equipo original.
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Protocol
1. Levante asistida flip-chip Bonding
NOTA: Hay tres etapas involucradas en la realización de las asambleas flip-chip LIFT asistida, es decir, micro-golpes de los sustratos utilizando la técnica LIFT, adjuntando los chips optoelectrónicos a los sustratos chocaron con el método de unión flip-chip termo-compresión, y finalmente encapsulación de las asambleas de servidumbre. Cada una de estas etapas se discute en las siguientes secciones:
- Micro-chocar usando LIFT:
- Para la preparación de los donantes, depositar una película delgada de material donante en un sustrato portador transparente al láser. Para este experimento, se evapora una gruesa película de 200 nm de metal de indio en la parte superior del sustrato de soporte de vidrio con dimensiones: espesor de 2 pulgadas de diámetro x 0,05 cm.
NOTA: método de preparación de los donantes depende de la fase del material del donante, por ejemplo, utilizar la evaporación y pulverización catódica para los materiales donantes en fase sólida y spin-recubrimiento y médico-Perfilado de donante en fase líquidas. - Para la preparación del receptor, utilizar sustratos de vidrio con dimensiones de 5 x 5 x 0,07 cm 3 como los receptores. Patrón de estos sustratos con las almohadillas de contacto metálicos para unir el chip de la OE y fan-out sondeo estructuras usando fotolitografía. Para este experimento, patrón de 4 m de espesor terminales de unión Ni-Au y fan-out sondeo pistas sobre sustratos del receptor de vidrio.
- Luego, coloque el donante en contacto con el receptor y montar el conjunto donante-receptor en una etapa de traslación XY controlada por ordenador.
NOTA: En función de la fase del material donante (por ejemplo, sólido (indio) o líquido (tinta / pegar)) y su espesor, el donante y los sustratos del receptor se colocan en una separación óptima que puede ser controlado fácilmente (por ejemplo, usando espaciadores metálicos). - Enfocar el haz láser incidente en la interfase portador de donantes que emplea una lente de objetivo de 160 mm de distancia focal y explorar el haz (20 micras tamaño del punto) a través del substrat donantee para la transferencia de donantes micro-protuberancias en el receptor de bonos-pads. Utilice una fuente de láser de picosegundos de longitud de onda de 355 nm y 12 duración del pulso psec a LEVANTAR golpes de indio en el receptor de bonos-pads a una fluencia de 270 mJ / cm2.
NOTA: Las propiedades de láser, como la energía, no. de legumbres, altura lente objetivo, las coordenadas de su ubicación exacta en el sustrato del receptor de donantes impresión micro-golpes y el modelo deseado para ser transferidos son controlados con precisión mediante un programa informático. Parámetros experimentales clave (por ejemplo, la transferencia de fluencia) necesitan ser optimizado en caso de utilizar otra fuente láser. - Para protuberancias gruesas mover el donante a un área fresca y repita el paso 1.1.4 varias veces. Por ejemplo, repita el paso 1.1.4 seis veces para obtener una pila de 6 golpes de indio impresos en la parte superior de uno al otro para este experimento. La final levantó pápulas tienen una altura promedio de ~ 1,5 my un diámetro de 20 mm (Figura 2).
NOTA: Para estos experimpadres el perfil de la superficie y el espesor de las protuberancias se midieron usando un perfilómetro óptico. Fue examinado si los golpes tenían una morfología convexa / cúpula con un espesor medio de 1,5 micras, de media sobre el diámetro golpe (como se marca amarilla en la Figura 3). La razón de esto se atribuye al hecho de que el donante se fundió en la zona de láser irradiado y el sedimento transferido luego re-solidificó al llegar a la superficie del receptor (indio tiene un punto de fusión bajo). La ventaja de esto es que resulta en una buena adherencia de la protuberancia impresa a las almohadillas de contacto VCSEL.
- Para la preparación de los donantes, depositar una película delgada de material donante en un sustrato portador transparente al láser. Para este experimento, se evapora una gruesa película de 200 nm de metal de indio en la parte superior del sustrato de soporte de vidrio con dimensiones: espesor de 2 pulgadas de diámetro x 0,05 cm.
- Chip al sustrato unión termo-compresión (Figuras 4-6):
- Utilice una semiautomática bonder flip-chip para la unión de los chips optoelectrónicos a los sustratos golpeado.
- Cargue el receptor golpeado y el chip para estar unidos en sus respectivas placas de vacío del dispositivo de adhesión. Coloque el chip en una posición invertida, es decir, con su área activa faclas marchas.
- Utilice una herramienta de recogida adecuado y corresponda con el centro del chip. Utilice una herramienta en forma de aguja, como se muestra en la Figura 5. A continuación, elija el chip utilizando esta herramienta de recogida.
- Alinear los chips de bonos-pads con las almohadillas de contacto correspondientes en el sustrato receptor mediante un sistema de cámara-alineación.
- Una vez alineado lugar el chip sobre el sustrato.
- Aplicar calor (~ 200 ° C) y presión (12,5 gf / golpe) simultáneamente a darse cuenta de chip al sustrato interconexiones eléctricas y mecánicas.
- La encapsulación de los conjuntos de servidumbre (Figuras 4-6):
- Dispensar un adhesivo ópticamente transparente alrededor de los bordes del conjunto unido utilizando una aguja de jeringa. La encapsulación aumenta la fiabilidad mecánica de los conjuntos unidos. Utilice un único adhesivo curable UV componente como NOA 86 para encapsular los chips unidos.
- Curar el adhesivo usando una lámpara UV para ~ 30 seg.
2. Caracterización de los Vertical-cavidad láseres de emisión superficial en condiciones de servidumbre (VCSEL)
NOTA: Después de la fabricación el siguiente paso es evaluar el rendimiento electro-óptica de los conjuntos de servidumbre. Los-corriente-tensión de luz (LIV) curvas de los dispositivos se registran después de la unión usando una estación de sonda. Los siguientes pasos están involucrados para la prueba:
- Coloque el flip-chip dispositivo unido a un escenario transparente a medida. La etapa tiene un agujero perforado en el centro para facilitar el acceso a la luz emitida por los VCSELs.
- Coloque un fotodetector (PD) debajo del escenario transparente y alinear su área activa con el chip unido usando un microscopio.
- Colocar con precisión las agujas de sondeo en el Ni-Au sondeo almohadillas con un microscopio.
- Inyectar hasta 10 mA de corriente y medir la caída de voltaje a través del VCSEL y la luz emitida por éste utilizando un / unidad de fuente de voltaje de corriente-metro y un metro de potencia restivamente.
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Representative Results
La Figura 7 muestra una curva típica LIV que fue grabado de uno de los muchos flip-chip unidos chips de VCSEL. Una buena combinación entre la potencia óptica medida al proveedor citó valores indicados buen funcionamiento de los dispositivos enlazados post-unión. Las curvas también se registraron prioridad y después de la encapsulación y en la comparación se verificó que el encapsulante no tuvo ningún efecto sobre la funcionalidad de chip (como se muestra en la Figura 7). También, una comparación entre las curvas IV registrados para los VCSEL flip-chip unidos y los registrados desde una matriz desnudo dio lugar a un buen partido de ese modo, lo que sugiere una resistencia adicional insignificante incurrido debido a los golpes de elevación (Figura 8).
La robustez mecánica de los conjuntos unidos fue probada usando una máquina de la serie Dage 4000. Los chips encapsulados no se desprenden del sustrato sin ser dañado cuando una fuerza die-cizallamiento se aplica a ellos, elReby, testificando una muy buena fiabilidad mecánica. La estabilidad en el tiempo de los chips unidas y encapsuladas se evaluó mediante la realización de la norma 8585 (85 ° C y humedad relativa 85%) ensayos de envejecimiento acelerado. Durante estas pruebas los chips se mantuvieron bajo temperatura y humedad controladas en una cámara climática para un total de 400 horas. Las patatas fritas fueron controlados eléctricamente y ópticamente a intervalos regulares. El rendimiento y la funcionalidad de los chips no se degradan incluso después de 400 horas en la cámara climática como se desprende de la Figura 9.
Figura 1. Esquema que ilustra el principio de la técnica LIFT. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Micrografía óptica de un substrato receptor golpeado LIFT-asistida. El recuadro muestra una imagen ampliada de un indio micro-topetón impreso. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. mediciones perfilómetro óptico típicos de los micro-protuberancias levantadas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. Representa los distintos pasos que integran ªe termo-compresión flip-chip de unión de componentes de equipo original. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. Micrografías ópticas tomadas en diversas etapas de procesamiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6. Imagen de microscopía óptica de un chip VCSEL servidumbre flip-chip como se ve desde la parte trasera del sustrato de vidrio receptor. Haga clic aquí para ver una mayor versión de esta figura.
Figura 7. Curvas LIV típicos registrado durante un encapsulado previo y posterior montaje VCSEL flip-chip. (Modificado de 15) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8. Comparación de las curvas IV registrados en asambleas flip-chip unidos utilizando diferentes presiones con los registrados a partir de una matriz desnudo. (Modificado de 15) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9. Parcela representa los resultados de ensayos de envejecimiento realizados en las fichas VCSEL servidumbre. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
En este trabajo, hemos demostrado termo-compresión flip-chip pegado de virutas VCSEL individuales utilizando una técnica de escritura directa con láser basado llamado LIFT. Las etapas de fabricación montaje involucrados impresión de los micro-golpes de indio en las zonas de contacto sustrato utilizando la técnica de ascensor. Esto fue seguido por termo-compresión flip-chip de unión de los chips de VCSEL a los sustratos golpeado y, finalmente, su encapsulación.
Eléctrico, óptico y mecánico fiabilidad de los chips unidos LIFT-asistida se evaluó midiendo sus curvas LIV y realizar 8.585 pruebas estándar de envejecimiento. Los buenos resultados obtenidos para la caracterización óptica, estabilidad mecánica y durabilidad destacan claramente el gran potencial de la técnica LIFT como una tecnología de interconexión.
Cabe mencionar que actualmente LIFT impresión está limitada a películas delgadas cuando se trata de materiales de fase sólida y es difícil de LIFT películas más gruesas (~ 10 micras). Una vez dicho esto por el pre-procesamiento de las películas de los donantes como de pre-modelando los donantes antes de imprimirlos 16 pueden hacer levantamiento de materiales sólidos más gruesos factibles.
Para concluir, LIFT ofrece una solución sencilla y muy precisa y flexible para realizar interconexiones a nivel de chip para aplicaciones que requieren golpes de chip único, de alta precisión, resolución y de paso fino para aplicaciones flip-chip de alta densidad.
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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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