Summary
Vi demonstrere brugen af Laser-induceret Forward Transfer (LIFT) teknik til flip-chip samling af optoelektroniske komponenter. Denne fremgangsmåde giver en enkel, omkostningseffektiv, lav temperatur, hurtig og fleksibel løsning for fine pitch bumpe og limning på chip-skala for at opnå høj tæthed kredsløb til optoelektroniske applikationer.
Abstract
Flip-chip (FC) emballagen er en nøgleteknologi for at realisere høj ydeevne, ultra-miniaturiserede og high-density kredsløb i mikro-elektronik industri. I denne teknik chippen og / eller substratet stød og de to er bundet via disse ledende bump. Mange ramlede teknikker er blevet udviklet og intensivt undersøgt siden indførelsen af FC-teknologi i 1960 1 som stencil trykning, stud bumpe, fordampning og strømløs / galvanisering 2. Trods de fremskridt, disse metoder har gjort de lider alle af en eller flere end én ulemper, der skal løses, såsom omkostninger, komplekse bearbejdningstrin, høje forarbejdningstemperaturer, fremstilling tid og vigtigst den manglende fleksibilitet. I dette papir, viser vi en enkel og omkostningseffektiv laserbaseret bump danner teknik kendt som laserinduceret Forward Transfer (elevator) 3. Brug af løfteren teknik en bred vifte af bump materialer kan be trykt i et enkelt trin med stor fleksibilitet, høj hastighed og præcision ved stuetemperatur. Desuden LIFT muliggør ramlede og limning ned til chip-skala, som er afgørende for at fabrikere ultra-miniature kredsløb.
Introduction
Laser-induceret Forward Transfer (LIFT) er en alsidig direkte skrive additiv fremstillingsmetode til éntrins mønster definition og materialeoverførsel med micron og sub-micron-opløsning. I dette papir, vi rapporterer brugen af LIFT som ramlede teknik til flip-chip emballage lodret hulrum overflade udsender lasere (VCSEL'er) på en chip-skala. Flip-chip er en nøgleteknologi i systemet pakning og integration af elektroniske og optoelektroniske (OE) komponenter. For at opnå tætte integration af komponenter fine pitch binding er afgørende. Selv fine pitch bonding er blevet påvist ved nogle af de standard teknikker, men der er et tomrum med hensyn til at kombinere sammen de andre vigtige funktioner såsom fleksibilitet, omkostningseffektivitet, hastighed, præcision og forarbejdning temperatur lav. For at opfylde disse krav demonstrere vi LIFT-assisteret termo-kompression bonding metode til fine pitch limning af OE-komponenter.
I LIFT, en tynd film af materialet, der skal trykkes (benævnt donor) afsættes på den ene side af en laser-transparent bærende underlag (benævnt bærer). Figur 1 viser det grundlæggende princip for denne teknik. En hændelse laser puls af tilstrækkelig intensitet derefter fokuseret på carrier-donor-interface, der giver skruens kraft til at sende overføre donor pixel fra den bestrålede zone på en anden substrat (kaldet modtager) placeret tæt.
LIFT blev først rapporteret i 1986 af Bohandy som en teknik til at udskrive mikrometerstore kobberkabler til reparation af beskadigede foto-masker 3. Siden sin første demonstration denne teknik har fået betydelig interesse som en mikro-nano fabrikation teknologi til styret mønsterdannelse og trykning af en bred vifte af materialer, såsom keramiske 4, CNTs 5, QDs 6, levende celler 7, grafENE 8, til forskellige formål, såsom biosensorer 9, OLED 10, optoelektroniske komponenter 11, plasmoniske sensorer 12, organisk-elektronik 13 og flip-chip bonding 14,15.
LIFT giver flere fordele i forhold til de eksisterende flip-chip ramlede og limning teknikker såsom enkelhed, hurtighed, fleksibilitet, omkostningseffektivitet, høj opløsning og nøjagtighed for flip-chip emballage OE-komponenter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. LIFT-assisteret Flip-chip Bonding
BEMÆRK: Der er tre faser i realiseringen LIFT-assisteret flip-chip forsamlinger, nemlig-mikro-bumpe af substraterne ved hjælp af LIFT teknik, fastgørelse af optoelektroniske chips til de rumlede substrater ved hjælp termo-kompression flip-chip bonding metode, og endelig indkapsling af de bundne forsamlinger. Hver af disse faser er omtalt i de følgende afsnit:
- Micro-bumpe hjælp LIFT:
- For donor forberedelse, deponere en tynd film af donor materiale på en laser-transparent bæresubstrat. Til dette eksperiment fordampe en 200 nm tyk film af indium metal på toppen af glas bæresubstrat med dimensioner: 2 inch diameter x 0,05 cm tykkelse.
BEMÆRK: Donor fremstillingsmetode afhænger fase af donor materiale, fx bruge fordampning og sputtering til fastfase donor materialer og spin-coating og læge-blading til flydende fase donors. - For receiver forberedelse, brug glassubstrater med dimensioner på 5 x 5 x 0,07 cm 3 som modtagerne. Mønster disse substrater med de metalliske kontaktflader til limning OE chip og fan-out sondering strukturer ved hjælp af fotolitografi. Til dette eksperiment, mønster 4 um tyk Ni-Au bond pads og fan-out sondering spor til glas modtager substrater.
- Herefter sættes donor i kontakt med modtageren og monter donor-modtager samling på en computerstyret XY oversættelse scenen.
BEMÆRK: Afhængigt fasen af donor materiale (f.eks faststof (indium) eller flydende (blæk / paste)) og dens tykkelse, donor og modtager substrater er placeret ved en optimal adskillelse, der let kan kontrolleres (fx ved anvendelse metalliske afstandsstykker). - Fokus hændelsen laserstråle på carrier-donor-interface ansætte en objektiv linse på 160 mm brændvidde og scanne bjælken (20 pm spot størrelse) på tværs af donor Substrate til at overføre donor mikro-bump på modtageren bond-pads. Brug en picosekund laser kilde til 355 nm bølgelængde og 12 pSEC impulsvarighed at løfte indium bump onto modtageren bond-pads på en fluens på 270 mJ / cm2.
BEMÆRK: Laseren egenskaber som energi, nej. af impulser, objektiv højde, koordinater for den nøjagtige placering på modtageren substrat for trykning donormikroorganismen stød og det ønskede mønster, der skal overføres, er nøjagtigt styret af et computerprogram. Key eksperimentelle parametre (f.eks, overførsel intensitetsniveauer) skal optimeres i tilfælde af anvendelse af en anden laserkilde. - For tykkere bump flytte donor til en frisk område og gentage trin 1.1.4 flere gange. For eksempel gentages trin 1.1.4 seks gange for at få en stabel af 6 indium bump trykt oven på hinanden til dette eksperiment. Den endelige løftede stød har en gennemsnitlig højde på ~ 1,5 um og en diameter på 20 um (figur 2).
BEMÆRK: For disse experimenter overfladen profil og tykkelsen af stød blev målt ved anvendelse af en optisk profilometer. Det blev undersøgt, at bump havde en konveks / kuppel morfologi med en gennemsnitlig tykkelse på 1,5 um, i gennemsnit over bump diameter (som markeret gult i figur 3). Grunden til dette skyldes det faktum, at donoren smeltede i laser bestrålede zone og den overførte pellet derefter igen størknede ved at nå modtageren overflade (Indium har et lavt smeltepunkt). Fordelen ved dette er, at det resulterer i en god vedhæftning af det trykte bump til VCSEL kontaktpuder.
- For donor forberedelse, deponere en tynd film af donor materiale på en laser-transparent bæresubstrat. Til dette eksperiment fordampe en 200 nm tyk film af indium metal på toppen af glas bæresubstrat med dimensioner: 2 inch diameter x 0,05 cm tykkelse.
- Chip til substrat termo-kompression bonding (Figur 4-6):
- Brug en halvautomatisk flip-chip Bonder til binding af optoelektroniske chips til de stødte substrater.
- Læg stødte modtageren og chippen skal bindes på deres respektive vakuum plader Bonder. Placer chip i en vendt position, dvs., med dens aktive område FACing ned.
- Brug en passende pick-up værktøj og rette den ind i midten af chippen. Brug et nåleformet værktøj som vist i figur 5. Dernæst vælge chip ved hjælp af denne pick-up værktøj.
- Juster chip bond-pads med de tilsvarende kontaktflader på modtageren underlaget med et kamera-justering system.
- Når linie sted chippen på substratet.
- Anvend varme (~ 200 ° C) og tryk (12,5 gf / bump) samtidig at realisere chip til substrat elektriske og mekaniske sammenkoblinger.
- Indkapsling af de bundne forsamlinger (Figur 4-6):
- Dispenser et optisk transparent klæbemiddel omkring kanterne af den bundne samling ved hjælp af en kanyle. Indkapslingen øger den mekaniske pålidelighed bundne forsamlinger. Brug en enkelt komponent UV hærdeligt klæbemiddel, såsom NOA 86 til indkapsling af de bundne chips.
- Cure klæbemidlet ved hjælp af en UV-lampe for ~ 30 sec.
2. Karakterisering af de bundne Vertical-hulrum Surface udsender Lasere (VCSEL'er)
BEMÆRK: Efter fabrikation det næste skridt er at vurdere den elektro-optiske ydeevne af de bundne forsamlinger. Lys-strøm-spænding (LIV) kurver enhederne registreres efter bonding ved hjælp af en sonde station. De følgende trin er involveret til test:
- Placer flip-chip bundet enhed på en skræddersyet gennemsigtig fase. Scenen har et hul boret i midten for nem adgang til det udsendte lys, som VCSEL'er.
- Placer en fotodetektor (PD) under gennemsigtige scene og tilpasse sin aktive område med det bundne chip bruger et mikroskop.
- Præcist at placere tast nåle på Ni-Au probing puder ved anvendelse af et mikroskop.
- Injicer op til 10 mA strøm og måle spændingsfaldet over VCSEL og lys udsendt af den ved hjælp af en strøm / spændingskilde meter enhed og en spændingsmålerikoner respectively.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 7 viser et typisk LIV kurve, der blev optaget fra en af de mange flip-chip bonded VCSEL chips. Et godt match mellem den målte optisk effekt til leverandøren citerede værdier angivet velfungerende den bundne enheder efter bonding. Kurverne blev også registreret prioriteret og post-indkapsling og ved sammenligning blev det bekræftet, at indkapslingen ikke havde indvirkning på chippen funktionalitet (som vist i figur 7). Også en sammenligning mellem de IV kurver er konstateret for de flip-chip bonded VCSEL'er og dem optaget fra en nøgen matrice resulterede i et godt match derved, hvilket tyder på en ubetydelig ekstra modstand afholdt på grund af de løftede bump (figur 8).
Den mekaniske robusthed af de bundne enheder blev testet under anvendelse af en Dage 4000 serie maskine. De indkapslede chips ikke løsnes fra underlaget uden at blive beskadiget, når en die-forskydningskraft blev anvendt på dem, denreby, vidnede en meget god mekanisk pålidelighed. Den tidsmæssige stabilitet af de bundne og indkapslede chips blev evalueret ved at udføre standard 8585 (85 ° C og 85% relativ fugtighed) accelererede ældningsforsøg. Under disse tests chips blev holdt under kontrolleret temperatur og fugtighed i et klimakammer i alt 400 timer. Chips blev overvåget elektrisk og optisk med regelmæssige mellemrum. Udførelsen og funktionalitet chips ikke nedbrydes, selv efter 400 timer i klimakammer som det fremgår af figur 9.
Figur 1. Skematisk illustrerer princippet om LIFT teknik. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 2. Optisk mikrograf af en LIFT-assisteret stødte modtager substrat. Det indsatte viser et forstørret billede af et trykt indium mikro-bump. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 3. Typisk optisk profilometer målinger af den løftede mikro-bump. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 4. viser de forskellige trin i the termo-kompression flip-chip bonding af OE-komponenter. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 5. Optiske mikrografer taget på forskellige procestrin. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 6. Optisk mikroskop billede af en flip-chip bundet VCSEL chip set fra bagsiden af receiveren glas substrat. Klik her for at se et større version af denne figur.
Figur 7. Typiske LIV kurver er konstateret for et flip-chip VCSEL samling forud for og efter indkapsling. (Modificeret fra 15) Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 8. Sammenligning af IV kurver konstateret for flip-chip forsamlinger bundet ved hjælp af forskellige tryk med de optaget fra en nøgen dø. (Modificeret fra 15) Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 9. Plot afbilder resultaterne af aldring udført på de bundne VCSEL chips. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I dette papir, har vi vist termo-kompression flip-chip bonding af enkelte VCSEL chips ved hjælp af en laser baseret direkte-write teknik kaldet LIFT. Forsamlingen fabrikationstrin involveret trykning af mikro-bump af indium på underlaget kontaktpuderne vha LIFT teknik. Dette blev efterfulgt af termo-kompression flip-chip binding af VCSEL chips til de stødte substrater og endelig deres indkapsling.
Elektrisk, optisk og mekanisk pålidelighed lift-assisteret bundne chips blev vurderet ved at måle deres LIV kurver og udføre standard 8585 aldring tests. De vellykkede resultater opnået for optisk karakterisering, mekanisk stabilitet og holdbarhed fremhæve det store potentiale af elevatoren teknik som et interconnect-teknologi.
Det skal nævnes, at i øjeblikket LIFT trykning er begrænset til tynde film, når det kommer til fastfase-materiale, og det er svært at LIFT tykkere film (~ 10 um). Når det er sagt, at ved forbehandling af donor film som pre-mønstring donorerne før at udskrive dem 16 kan gøre løftning af tykkere faste materialer gennemførlige.
Afslutningsvis LIFT tilbyder en enkel, meget præcis og fleksibel løsning for at realisere chip niveau sammenkoblinger til applikationer, der kræver single-chip bumpe, høj nøjagtighed, opløsning og fin-banen for high-density flip-chip applikationer.
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).
