Summary
Vi visar användningen av laserinducerad Framåt Transfer (LIFT) teknik för flip-chip-montering av optoelektroniska komponenter. Denna metod ger en enkel, kostnadseffektiv, låg temperatur, snabb och flexibel lösning för fine-pitch stöta och bindning på chip-skala för att uppnå hög densitet kretsar för optoelektroniska tillämpningar.
Abstract
Flip-chip (FC) förpackningar är en nyckelteknik för att realisera högpresterande, ultra miniatyriserade och hög densitet kretsarna i mikro-elektronikindustrin. I denna teknik chipet och / eller substratet är stöts och de två är bundna via dessa ledande gupp. Många stöta tekniker har utvecklats och undersökts intensivt sedan införandet av FC-teknik i 1960 1 såsom stenciltryckning, stud bumping, förångning och elektrofri / elektroplätering 2. Trots de framsteg som dessa metoder har gjort de alla lider av en eller fler än en nackdelar som måste behandlas såsom kostnad, komplicerade processteg, höga bearbetningstemperaturer, tillverkningstid och viktigast bristen på flexibilitet. I denna uppsats visar vi en enkel och kostnadseffektiv laserbaserade bula bildande teknik som kallas Laser-inducerad Framåt Transfer (LIFT) 3. Använda LIFT tekniken ett brett spektrum av bump material kan be tryckt i ett enda steg med stor flexibilitet, hög hastighet och precision vid RT. Dessutom möjliggör LIFT den stöta och bindning ned till chip-skala, vilket är kritiskt för tillverkning av ultraminiatyrkretsar.
Introduction
Laser-inducerad Framåt Transfer (LIFT) är en mångsidig direkt skriva additiv tillverkningsmetod för ett steg definition mönster och materialöverföring med micron och sub-micron-upplösning. I detta papper, rapporterar vi användning av LIFT som en stöta teknik för flip-chip-förpackning av vertikal-cavity ytemitterande laser (VCSEL) på ett chip-skala. Flip-chip är en nyckelteknik i systemet förpackning och integration av elektroniska och optoelektroniska (OE) komponenter. För att uppnå tät integrering av komponenter fin delning bindning är väsentlig. Även fina beck bindning har visats av några av de standardtekniker men det finns ett tomrum när det gäller att kombinera ihop de andra viktiga funktioner som flexibilitet, kostnadseffektivitet, snabbhet, precision och låg temperatur bearbetning. För att möta dessa krav visar vi LIFT-assisterad termokomprimerings bindning metod för fin stigning bindning av OE komponenter.
I LIFT, en tunn film av materialet som skall tryckas (hänvisad till som donatorn) är avsatt på en yta av en laser-transparent stödsubstrat (kallad bärare). Figur 1 visar den grundläggande principen för denna teknik. En incident laserpuls med tillräcklig intensitet fokuseras sedan på carrier-donator gränssnitt som ger driv kraft som krävs för att vidarebefordra överföra givar pixel från det bestrålade området på ett annat substrat (kallad mottagaren) placeras i omedelbar närhet.
LIFT rapporterades första gången 1986 av Bohandy som en teknik för att skriva ut mikronstorlek kopparledningen för reparation av skadade foto-masker 3. Sedan den första demonstrationen denna teknik har fått stort intresse som en mikro-nano tillverkningsteknik för kontrollerad mönstring och utskrift av en mängd olika material såsom keramik 4, cnts 5, QDs 6, levande celler 7, grafene 8, för olika applikationer såsom biosensorer 9, OLED 10, optoelektroniska komponenter 11, plasmoniska sensorer 12, organisk-elektroniken 13 och flip-chip bonding 14,15.
LIFT erbjuder flera fördelar över de existerande flip-chip bumping och bindningstekniker såsom enkelhet, snabbhet, flexibilitet, kostnadseffektivitet, hög upplösning och noggrannhet för flip-chip-förpackning av OE komponenter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. LIFT-assisterad Flip-chip Bonding
OBS: Det finns tre stegen i att förverkliga LIFT-assisterad flip-chip församlingar, nämligen-mikro-stöta av substraten med hjälp av LIFT tekniken, fästa optoelektroniska marker till de stötte substrat använder termokompressions flip-chip-bondmetoden, och äntligen inkapsling av de bundna församlingar. Var och en av dessa faser diskuteras i följande avsnitt:
- Mikro stöta använder LIFT:
- För framställning donator, deponera en tunn film av donatormaterial på en lasertransparent bärarsubstrat. För detta experiment, indunsta en 200 nm tjock film av indium metall ovanpå glas bärarsubstrat med dimensioner: 2 tum diameter x 0,05 cm tjocklek.
OBS: Donator beredningsmetod beror på fasen av donatormaterialet, t.ex., använd avdunstning och sputtering för fast fas givarmaterial och spin-beläggning och läkare-skridskoåkning för vätskefasen donators. - För mottagaren beredning, använd glassubstrat med dimensionerna 5 x 5 x 0,07 cm 3 som mottagarna. Mönster dessa substrat med de metalliska kontaktplattor för bindning av OE-chip och fan-out sondering strukturer med hjälp av fotolitografi. För detta experiment, mönster 4 ^ m tjocka Ni-Au förbindningskuddarna och fan-out sondering spår på glas mottagare substrat.
- Därefter placerar givaren i kontakt med mottagaren och montera givaren-mottagaren enheten på en datorstyrd XY översättningsstadiet.
OBS: Beroende på vilken fas av donator material (t.ex., fast (indium) eller vätska (bläck / pasta)) och dess tjocklek, givaren och mottagaren substraten är placerade på en optimal separation som lätt kan kontrolleras (t.ex. genom använder metall distanser). - Fokusera infallande laserstråle på carrier-donatorgränssnitts anställa ett objektiv på 160 mm brännvidd och skanna balken (20 pm punktstorlek) över donator substrate för överföring givarmikro gupp på mottagaren obligationsdynor. Använd en pikosekund laserkälla 355 nm våglängd och 12 ps pulslängd för att lyfta indium gupp på mottagarenobligationsdynor vid en fluens på 270 mJ / cm2.
OBS: Laser egenskaper såsom energi, nej. pulser, objektiv höjd, koordinater för den exakta platsen på mottagaren substrat för utskrift givarmikro gupp och det önskade mönstret som skall överföras är noggrant kontrolleras av ett datorprogram. Nyckel experimentella parametrar (t.ex. överföring Fluence) måste optimeras vid användning av en annan laserkälla. - För tjockare gupp flytta givaren till ett nytt område och upprepa steg 1.1.4 flera gånger. Till exempel, upprepa steg 1.1.4 sex gånger för att få en bunt med 6 indium gupp tryckt ovanpå varandra för detta experiment. Den slutliga lyfte bulor har en genomsnittlig höjd av ~ 1,5 ^ m och en diameter av 20 | j, m (Figur 2).
OBS: För dessa experiment ytprofilen och tjockleken av de stötar mättes med användning av en optisk profilometer. Det undersöktes att gupp hade en konvex / kupol morfologi med en genomsnittlig tjocklek på 1,5 pm, medelvärde över knölen diameter (enligt märkning gult i Figur 3). Anledningen till detta kan tillskrivas det faktum att donatorn smälts i lasern bestrålas zonen och den överförda pelleten sedan åter stelnade vid når mottagaren ytan (indium har en låg smältpunkt). Fördelen med detta är att den resulterar i god vidhäftning av det tryckta bump till VCSEL kontaktdynor.
- För framställning donator, deponera en tunn film av donatormaterial på en lasertransparent bärarsubstrat. För detta experiment, indunsta en 200 nm tjock film av indium metall ovanpå glas bärarsubstrat med dimensioner: 2 tum diameter x 0,05 cm tjocklek.
- Chip till substrat termokompressionsbondning (Figurerna 4-6):
- Använd en halvautomatisk flip-chip bonder för limning av optoelektroniska marker till de stötte substrat.
- Fyll på stötte mottagaren och chip som ska limmas på deras respektive vakuumplåtar bönder. Placera chip i ett vänt läge, dvs med sin aktiva område facing ner.
- Använd en lämplig pick-up verktyg och inrikta den mot mitten av chipet. Använd en nålformad verktyg såsom visas i fig 5. Därefter plocka chipet använder denna pick-up verktyg.
- Rikta in chip obligationsdynor med motsvarande kontaktdynor på mottagaren substrat med hjälp av en kamera-inriktningssystem.
- När linje plats chippet på substratet.
- Applicera värme (~ 200 ° C) och tryck (12,5 gf / bula) samtidigt för att realisera chip till substrat elektriska och mekaniska sammankopplingar.
- Inkapsling av de bundna aggregaten (Figurerna 4-6):
- Fördela en optiskt transparent lim runt kanterna av den bundna aggregatet med hjälp av en sprutnål. Inkapslingen ökar den mekaniska tillförlitligheten hos de sammanbundna aggregat. Använd en enda komponent UV-härdande lim som NOA 86 för inkapsling av bundna marker.
- Härda limmet med användning av en UV-lampa för ~ 30 sek.
2. Karakterisering av Bonded Vertikal-kaviteten strålande Lasrar (VCSELs)
OBS: Efter tillverkning är nästa steg att utvärdera den elektrooptiska prestanda av de bundna aggregat. De ljus ström-spänning (LIV) kurvor hos anordningarna registreras efter bindning med användning av en sond-station. Följande steg är involverade för testning:
- Placera flip-chip bunden anordning på en skräddarsydd transparent skede. Scenen har ett hål borrat i centrum för enkel åtkomst till ljus som avges av VCSEL.
- Placera en fotodetektor (PD) under transparenta scenen och rikta sin aktiva område med bundna chip med hjälp av ett mikroskop.
- Exakt positionera prob nålar på Ni-Au probdynor med användning av ett mikroskop.
- Injicera upp till 10 mA ström och mäta spänningsfallet över VCSEL och ljus som avges av den med en ström / spänningskälla meter enhet och en kraftmätare respectively.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 7 visar en typisk LIV kurva som registrerades från en av de många flip-chip bundna VCSEL marker. En bra match mellan den uppmätta optisk effekt till leverantören citerade värden indikerade framgångsrik fungerande bundna enheter efter bindning. Kurvorna uppmättes också prio- och post-inkapsling och vid jämförelse verifierades det att inkapslingsmedlet inte hade effekt på chipet funktionalitet (såsom visas i fig 7). Även en jämförelse mellan IV kurvor som registrerats för flip-chip bundna VCSELs och dem som registrerats från ett kalt dör resulterade i en bra match och därmed, vilket tyder försumbar extra motstånd som uppstått på grund av att de lyfts gupp (Figur 8).
Den mekaniska robusthet av de bundna församlingarna testades med hjälp av en Dage 4000-serien maskin. De inkapslade marker inte lossna från underlaget utan att bli skadad när en die-skjuvkraft applicerades till dem,Reby, vittnade en mycket god mekanisk tillförlitlighet. Stabiliteten med tiden av de bundna och inkapslade chipset utvärderades genom att utföra standard 8585 (85 ° C och 85% relativ fuktighet) accelererade åldringstester. Under dessa tester flisen hölls under kontrollerad temperatur och fuktighet i en klimatkammare för totalt 400 tim. Chipsen övervakades elektriskt och optiskt jämna mellanrum. Den prestanda och funktionalitet av chipsen inte försämra ens efter 400 h i klimatkammaren såsom framgår av figur 9.
Figur 1. Schematisk illustrerar principen om LIFT tekniken. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Optisk mikroskop av en LIFT assisterad stötte mottagare substrat. Den infällda bilden visar en förstorad bild av en tryckt indium mikro bula. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Typiska optisk profilometer mätningar av den lyfta mikro gupp. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. visar olika steg som ingår i the termokompressions flip-chip limning av OE komponenter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. Optiska mikrofotografier tagna vid olika processteg. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. Optisk mikroskopbild av en flip-chip bundna VCSEL chip sett från baksidan av mottagarens glassubstrat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7. Typiska LIV kurvor som noterats för en flip-chip VCSEL montering före och efter inkapsling. (Modifierad från 15) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8. Jämförelse av IV kurvor som registrerats för flip-chip heter bundna med olika tryck med de som registrerats från en kal dö. (Modifierad från 15) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9. Plot visar resultaten av åldringstester utförda på de bundna VCSEL chips. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I detta papper, har vi visat termokompressions flip-chip-bondning av enstaka VCSEL chips som använder en laserbaserad direktskrivteknik kallad LIFT. De monteringstillverkningssteg involverade utskrift av mikro stötar indium på substratkontaktdynorna med hjälp av LIFT tekniken. Detta följdes av termokompressions flip-chip bindning av VCSEL chips till de stötte substraten och slutligen deras inkapsling.
Elektriska, optisk och mekanisk tillförlitlighet LIFT assisterade bundna marker utvärderades genom att mäta deras LIV kurvor och utföra vanliga 8585 åldringstester. De framgångsrika resultaten för optisk karakterisering, mekanisk stabilitet och hållbarhet markera tydligt den stora potentialen av LIFT tekniken som ett anslutningstekniken.
Det bör nämnas att för närvarande LYFT tryckning är begränsad till tunna filmer när det kommer till fast-fasmaterial och det är utmanande att LIFT tjockare filmer (~ 10 mikrometer). Sagt av förbehandling donator filmer som pre-mönstring givarna innan du skriver dem 16 kan göra lyft av tjockare fasta material genomförbara.
Avslutningsvis, LIFT erbjuder en enkel, mycket noggrann och flexibel lösning för att realisera chip-nivå sammankopplingar för applikationer som kräver single-chip stöta, hög noggrannhet, upplösning och fin-pitch för hög densitet flip-chip tillämpningar.
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).
