Induite par laser transfert vers l'avant pour Flip-chip emballage de Dies simples

Résumé

Nous démontrons l'utilisation du transfert (LIFT) Forward technique induite par laser pour l'assemblage flip-chip de composants optoélectroniques. Cette approche fournit une, rentable, à basse température simple, solution rapide et flexible pour pas fin de supplantation et de collage sur la puce à l'échelle pour atteindre circuits à haute densité pour des applications optoélectroniques.

Résumé

Flip-chip (FC) l'emballage est une technologie clé pour la réalisation de haute performance, ultra-circuits miniaturisés et à haute densité dans l'industrie micro-électronique. Dans cette technique, la puce et / ou le substrat est heurté et les deux sont liés par ces bosses conductrices. De nombreuses techniques ont été développées de supplantation et de recherches intensives depuis l'introduction de la technologie FC en 1960 comme ^une impression au pochoir, stud bumping, l'évaporation et chimique / galvanoplastie ^2. Malgré les progrès que ces méthodes ont fait, ils souffrent tous d'un ou plus d'un des inconvénients qui doivent être abordés tels que le coût, les étapes complexes de traitement, les températures élevées de traitement, temps de fabrication et surtout le manque de flexibilité. Dans cet article, nous démontrons une bosse technique basée laser simple et rentable formant connu sous le nom de transfert avant induite par laser (LIFT) ^3. En utilisant la technique de LIFT une large gamme de matériaux de bosse peut be imprimés en une seule étape avec une grande flexibilité, haute vitesse et la précision à la température ambiante. En outre, LIFT permet de supplantation et liaison vers le bas la carte à puce à l'échelle, ce qui est essentiel pour la fabrication de circuits ultra-miniature.

Introduction

Induite par laser transfert vers l'avant (LIFT) est une écriture directe additif procédé de fabrication polyvalent pour la définition du motif en une seule étape et de transfert de matériel avec micron et sub-micronique résolution. Dans cet article, nous présentons l'utilisation de LIFT comme une technique pour cogner flip-chip emballage de cavité verticale émettant surface lasers VCSEL () sur une puce échelle. Flip-puce est une technologie clé dans l'emballage et l'intégration de (OE) composants électroniques et optoélectroniques système. Afin de parvenir à une intégration dense de composants liaison à pas fin est essentiel. Bien que la liaison à pas fin a été démontré par certaines des techniques standard, mais il ya un vide en termes de combiner ensemble les autres caractéristiques importantes telles que la flexibilité, la rentabilité, la vitesse, la précision et à faible température de traitement. Afin de répondre à ces exigences, nous démontrons procédé de collage assisté LIFT-thermo-compression pour bien collage de hauteur des composants OE.

En LIFT, un film mince du matériau à imprimer (dénommé donneur) est déposée sur une face d'un substrat de support transparent au laser (dénommé le transporteur). La figure 1 illustre le principe de base de cette technique. Une impulsion laser incident d'une intensité suffisante est alors concentré à l'interface support-donneur qui fournit la force de propulsion requise pour transmettre transférer le pixel de donneur de la zone irradiée sur un autre substrat (dénommé récepteur) placé à proximité immédiate.

LIFT a été signalée pour la première en 1986 par Bohandy comme une technique pour imprimer des lignes de cuivre de taille micronique pour réparer endommagés photo-masques ^3. Depuis sa première démonstration de cette technique a suscité un intérêt important en tant que technologie de fabrication de micro-nano pour motifs contrôlée et l'impression d'une large gamme de matériaux tels que la céramique ^{4, 5,} NTC QDs ^{6, 7} cellules vivantes, graphiqueène ^8, pour diverses applications telles que les bio-capteurs ^9, OLED ^{10, 11} composants optoélectroniques, capteurs plasmoniques ^12, bio-électronique ¹³ et collage ^14,15 flip-chip.

LIFT offre plusieurs avantages par rapport aux techniques de supplantation et de liaison flip-chip existants tels que la simplicité, la rapidité, la flexibilité, la rentabilité, de haute résolution et la précision des flip-chip emballage de composants OE.

Protocole

1. assisté LIFT-flip-chip Bonding

NOTE: Il ya trois étapes impliquées dans la réalisation des assemblages flip-chip assisté LIFT-, à savoir-micro-supplantation des substrats en utilisant la technique de LIFT, fixer les puces optoélectroniques aux substrats tombé utilisant thermo-compression procédé de collage flip-chip, et enfin encapsulation des assemblages collés. Chacune de ces étapes est discutée dans les sections suivantes:

1. Micro-choc utilisant LIFT:
   1. Pour la préparation des donateurs, déposer un film mince du matériau donneur sur un substrat de support transparent au laser. Pour cette expérience, évaporer une couche épaisse de 200 nm d'indium métal sur le dessus du verre substrat de support avec les dimensions: 2 pouces de diamètre x 0,05 cm d'épaisseur.
      REMARQUE: la méthode de préparation des bailleurs de fonds dépend de la phase du matériau donneur, par exemple, utiliser l'évaporation et la pulvérisation des matériaux de donateurs en phase solide et de spin-coating et le médecin à roues alignées pour en phase liquide donateurss.
   2. Pour la préparation de récepteur, utiliser des substrats de verre avec des dimensions de 5 x 5 x 0,07 cm ³ que les récepteurs. Motif ces substrats avec les plots de contact métalliques pour lier la puce OE et fan-out sonder structures utilisant la photolithographie. Pour cette expérience, épais plots de Ni-Au modèle 4 um et fan-out sonder pistes sur des substrats du récepteur de verre.
   3. Ensuite, placez le donneur en contact avec le récepteur et monter l'ensemble des donateurs récepteur sur une platine de translation XY contrôlé par ordinateur.
      NOTE: En fonction de la phase du matériau donneur (par exemple, solide (indium) ou liquide (encre / coller)) et son épaisseur, le donateur et les substrats du récepteur sont placés à une séparation optimale qui peut être facilement contrôlé (par exemple, par utilisant des entretoises métalliques).
   4. Focaliser le faisceau laser incident à l'interface support-donateurs employant un objectif de 160 mm de focale et de balayer le faisceau (20 um de taille de spot) à travers le Substrat donneure pour transférer donateurs micro-bosses sur le récepteur obligataires tampons. Utilisez une source laser picoseconde de 355 nm de longueur d'onde et 12 durée d'impulsion psec LIFT bosses indium sur le récepteur obligataires tampons à une fluence de 270 mJ / cm ^2.
      REMARQUE: Les propriétés laser tels que l'énergie, non. d'impulsions, la hauteur de l'objectif, les coordonnées de l'emplacement précis sur le substrat du récepteur pour l'impression donateurs micro-chocs et le motif désiré être transférés sont contrôlés avec précision par un programme informatique. Paramètres expérimentaux clés (par exemple, le transfert fluence) doivent être optimisés en cas d'utilisation d'une autre source laser.
   5. Pour bosses épaisses déplacer le donneur à un endroit frais et répétez l'étape 1.1.4 à plusieurs reprises. Par exemple, répétez l'étape 1.1.4 six fois pour obtenir une pile de 6 billes d'indium imprimés sur le dessus de l'autre pour cette expérience. La dernière levée bosses ont une hauteur moyenne de ~ 1,5 um et un diamètre de 20 pm (Figure 2).
      NOTE: Pour ces expériments du profil de surface et l'épaisseur des bosses ont été mesurées en utilisant un profilomètre optique. On a examiné ce que les bosses ont une morphologie convexe / dôme avec une épaisseur moyenne de 1,5 pm, en moyenne sur le diamètre de la bosse (comme indiqué sur la figure 3 jaune). La raison de ceci est due au fait que le donneur fondu dans la zone irradiée par laser et la pastille re-transféré ensuite solidifiée après avoir atteint la surface de réception (indium a un point de fusion bas). L'avantage de ceci est que cela se traduit par une bonne adhérence de la bosse imprimé à des plots de contact VCSEL.
2. Chip au substrat soudage par thermo-compression (figures 4-6):
   1. Utilisez un semi-automatique flip-chip colle pour coller les puces optoélectroniques aux substrats tombé.
   2. Chargez le récepteur heurté et la puce à coller sur leurs plaques à vide respectives de la colle. Placez la puce dans une position inversée, ce est à dire, avec sa zone fac actifVERS LE HAUT.
   3. Utilisez un outil de pick-up approprié et l'aligner sur le centre de la puce. Utilisez un outil en forme d'aiguille, comme indiqué sur la Figure 5. Ensuite, choisissez la puce en utilisant cet outil de prise en charge.
   4. Alignez les puces obligataires tampons avec les plots de contact correspondants sur le substrat du récepteur en utilisant un système caméra-alignement.
   5. Une fois aligné lieu la puce sur le substrat.
   6. Appliquez de la chaleur (~ 200 ° C) et de pression (12,5 gf / bosse) simultanément de réaliser la puce au substrat interconnexions électriques et mécaniques.
3. Encapsulation des assemblages collés (figures 4-6):
   1. Distribuer un adhésif optiquement transparent sur les bords de l'assemblage collé en utilisant une aiguille de seringue. L'encapsulation augmente la fiabilité mécanique des assemblages collés. Utilisez un seul composant adhésif à durcissement UV tels que NOA 86 pour encapsuler les puces collées.
   2. Durcir l'adhésif à l'aide d'une lampe UV pendant environ 30 sec.

2. La caractérisation des agglomérés à cavité verticale lasers à émission de surface (VCSEL)

NOTE: Après la fabrication de la prochaine étape consiste à évaluer la performance électro-optique des assemblages collés. Les courbes courant-tension-lumière (LIV) des appareils sont enregistrées post collage utilisant une station de sonde. Les étapes suivantes sont impliqués pour le test:

1. Placez le flip-chip dispositif collé sur une scène transparente sur mesure. L'étape a un trou percé dans le centre pour un accès facile à la lumière émise par les VCSEL.
2. Placer un photodétecteur (PD) au-dessous de l'étage transparent et aligner sa surface active de la puce de stockage au moyen d'un microscope.
3. Positionner avec précision les aiguilles de sondage sur le Ni-Au sonder plaquettes en utilisant un microscope.
4. Injecter jusqu'à 10 mA de courant et mesurer la chute de tension aux bornes du VCSEL et la lumière émise par celle-ci en utilisant un / tension unité source de courant et un compteur wattmètre restivement.

Résultats

La figure 7 montre une courbe typique de LIV qui a été enregistrée à partir de l'un des flip-chip de nombreuses puces collées VCSEL. Un bon match entre la puissance optique mesurée au fournisseur cité valeurs indiquées bon fonctionnement des dispositifs liés post collage. Les courbes ont également été enregistrées priorité et post-encapsulation et sur ​​la comparaison on a vérifié que le produit d'enrobage avait aucun effet sur ​​la fonctionnalité de la puce (comme repr?...

Discussion

Dans cet article, nous avons démontré thermo-compression flip-chip collage des puces VCSEL simples en utilisant une technique d'écriture directe basé sur un laser appelé LIFT. Les étapes de fabrication assemblage impliqués impression des micro-bosses d'indium sur les plots de contact de substrat en utilisant la technique de LIFT. Cela a été suivi par thermo-compression flip-chip collage des puces VCSEL aux substrats heurté et enfin leur encapsulation.

Électriques, optiques...

matériels

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