Transferência para a frente induzida por laser para Flip-chip Embalagem de matrizes de solteiro

Resumo

Nós demonstramos o uso da Transferência (LIFT) técnica Atacante induzida por laser para montagem flip-chip componentes optoeletrônicos. Esta abordagem fornece um, de baixo custo, baixa temperatura simples, solução rápida e flexível para o bem-pitch colidindo e colagem no chip de escala para a realização de circuitos de alta densidade para aplicações optoeletrônicos.

Resumo

Flip-chip embalagem (FC) é uma tecnologia fundamental para a realização de alto desempenho, os circuitos de ultra-miniaturizado e de alta densidade na indústria de micro-eletrônica. Nesta técnica, o chip e / ou o substrato é batido e as duas são ligadas através destas saliências condutoras. Muitas técnicas batendo têm sido desenvolvidos e intensamente investigado desde a introdução da tecnologia de FC, em 1960, ^1, como a impressão stencil, parafuso prisioneiro bumping, evaporação e electroless / galvanoplastia ^2. Apesar do progresso que estes métodos que efectuou todos eles sofrem de uma ou mais do que um inconvenientes que precisam de ser tratadas, tais como custo, as etapas de processamento complexas, altas temperaturas de processamento, tempo de fabrico e mais importante, a falta de flexibilidade. Neste artigo, demonstramos uma colisão técnica simples e de baixo custo à base de laser formando conhecido como transferência para a frente induzida por laser (LIFT) ^3. Usando a técnica ELEVADOR uma vasta gama de materiais de colisão pode be impresso em uma única etapa com grande flexibilidade, alta velocidade e precisão na RT. Além disso, permite que o LIFT bumping e colagem para baixo para chip de escala, o que é fundamental para a fabricação de circuitos ultra-miniatura.

Introdução

Induzida por laser Transferência Forward (LIFT) é um direct-escrever método de fabricação aditiva versátil para definição do padrão de etapa única e transferência de material com micron e sub-micron-resolução. Neste artigo, apresentamos o uso de LIFT como uma técnica de bater para embalagem flip-chip vertical-cavidade emissores de superfície lasers (VCSELs) em uma escala de chip. Flip-chip é uma tecnologia-chave na embalagem e integração de componentes eletrônicos e optoeletrônicos (OE) do sistema. A fim de alcançar a integração densa de componentes de ligação passo fino é essencial. Embora passo fino de ligação foi demonstrada por algumas das técnicas padrão, mas há um vazio em termos de combinação, em conjunto as outras características importantes, tais como a flexibilidade, a relação custo-eficácia, rapidez, precisão e baixo da temperatura de processamento. A fim de atender a esses requisitos demonstramos método de ligação assistida-LIFT thermo-compressão para colagem passo fino de componentes OE.

Em LIFT, uma película fina de material a ser impresso (referido como o dador) é depositado sobre uma face de um substrato de suporte transparente ao laser (referido como transportador). A figura 1 ilustra o princípio básico desta técnica. Um pulso de laser incidente de intensidade suficiente é então focada na interface transportador-doador que proporciona a força de propulsão necessária para transmitir a transferir o pixel doador da zona irradiada para outro substrato (referido como o receptor) colocado em estreita proximidade.

LIFT foi relatada pela primeira vez em 1986 por Bohandy como uma técnica para imprimir linhas de cobre micronizadas para a reparação de danos foto-máscaras ^3. Desde a sua primeira demonstração desta técnica tem ganho grande interesse como uma tecnologia de fabricação de micro-nano para padronização de impressão e controlada de uma vasta gama de materiais, tais como cerâmica, nanotubos de carbono ^{4, 5} QDs ^6, as células vivas ^7, gráficoene ^8, para diversas aplicações, tais como bio-sensores ^9, OLEDs ^10, componentes optoeletrônicos ^11, sensores plasmonic ^12, orgânico-electronics ¹³ e colagem ^14,15 virar-chip.

LIFT oferece diversas vantagens sobre os Batendo e técnicas de colagem flip-de chips existentes, tais como simplicidade, rapidez, flexibilidade, custo-eficácia, de alta resolução e precisão para embalagem flip-chip componentes OE.

Protocolo

1. assistida-LIFT flip-chip Bonding

NOTA: Existem três etapas envolvidas na realização dos conjuntos de chips flip-assistida-lift, a saber-micro-colisão dos substratos, utilizando a técnica LIFT, anexando os chips optoeletrônicos aos substratos colidido com thermo-compressão método de colagem flip-chip e finalmente encapsulamento dos conjuntos ligados. Cada uma dessas etapas é discutido nas seções a seguir:

1. Micro-batendo usando LIFT:
   1. Para a preparação dos doadores, depositar uma película fina de material dador para um substrato de suporte transparente ao laser. Para esta experiência, evaporar um filme de espessura 200 nm em metal índio em cima do veículo de substrato de vidro com dimensões: 2 polegadas de diâmetro x 0,05 centímetros de espessura.
      NOTA: método de preparação Dador depende da fase do material dador de, por exemplo, utilizar pulverização catódica e evaporação para materiais dadores de fase sólida e spin-coating e médico-patins em linha para o dador de fase líquidas.
   2. Para a preparação do receptor, utilizar substratos de vidro com dimensões de 5 x 5 x 0,07 centímetros ³ como os receptores. Pattern estes substratos com as almofadas de contacto metálicos para ligação do chip de OE e fan-out estruturas usando fotolitografia sondagem. Para esta experiência, padrão de 4 mm de espessura almofadas títulos Ni-Au e fan-out sondagem faixas sobre substratos recipiente de vidro.
   3. Em seguida, coloque o doador em contato com o receptor e montar o conjunto de doador-receptor em um computador controlado fase de tradução XY.
      NOTA: Dependendo da fase do material dador (por exemplo, sólido (índio) ou líquido (tinta / pasta)) e a sua espessura, o dador e o receptor são os substratos colocados em uma separação óptima, que pode ser facilmente controlado (por exemplo, pela usando espaçadores metálicos).
   4. Concentre-se o feixe de laser incidente na interface carrier-doador empregando uma lente objetiva de 160 milímetros de comprimento focal e digitalizar o feixe (20 um tamanho spot) em todo o substrat doadore para a transferência de micro-solavancos doadores no receptor bond-pads. Use uma fonte de laser de picossegundos de 355 nm de comprimento de onda e 12 de duração do pulso psec para levantar solavancos índio no receptor obrigacionistas-pads em uma fluência de 270 mJ / cm ^2.
      Nota: As propriedades do laser, como a energia, não. de impulsos, a altura da lente da objectiva, as coordenadas da localização precisa sobre o substrato receptor para os micro-saliências impressão doadores e o padrão desejado para ser transferido com precisão são controlados por um programa de computador. Parâmetros experimentais-chave (por exemplo, a transferência de fluência) precisam ser otimizado em caso de utilização de outra fonte laser.
   5. Para solavancos mais espessas mover o dador para um local fresco e repita o passo 1.1.4 várias vezes. Por exemplo, repita o passo 1.1.4 seis vezes para obter uma pilha de 6 solavancos índio impressos em cima uns dos outros para esta experiência. A final levantada solavancos têm uma altura média de ~ 1,5 mm e um diâmetro de 20 mm (Figura 2).
      NOTA: Para estas experimentos o perfil da superfície e da espessura dos solavancos foram medidos utilizando um perfilómetro óptico. Examinou-se que as colisões tinha uma morfologia convexa / cúpula com uma espessura média de 1,5 mm, em média diâmetro colisão (conforme marcado amarelo na Figura 3). A razão para isto é atribuída ao facto de o dador derretido na zona do laser irradiada e, em seguida, transferido o sedimento re-solidificado até alcançar a superfície do receptor (índio tem um baixo ponto de fusão). A vantagem disto é que ela resulta numa boa aderência da colisão impresso para as almofadas de contacto VCSEL.
2. Chip para substrato de ligação thermo-compressão (Figuras 4-6):
   1. Use um bonder flip-chip de semi-automático para a colagem dos chips optoeletrônicos aos substratos batido.
   2. Coloque o receptor colidido eo chip a ser colada em suas respectivas placas de vácuo do bonder. Coloque o chip em uma posição invertida, ou seja, com a sua área ativa facing para baixo.
   3. Use uma ferramenta de captação adequados e alinhá-lo no centro do chip. Use uma ferramenta em forma de agulha, como mostrado na Figura 5. Em seguida, escolha o chip utilizando esta ferramenta pick-up.
   4. Alinhe o chip Bond almofadas com as almofadas de contacto correspondentes no substrato receptor usando um sistema de câmera-alinhamento.
   5. Uma vez alinhados lugar do chip no substrato.
   6. Aplicar calor (~ 200 ° C) e pressão (12,5 gf / colisão) simultaneamente para realizar chip para substrato interligações eléctricas e mecânicas.
3. Encapsulation das assembleias aduaneiros (Figuras 4-6):
   1. Dispensar um adesivo opticamente transparente em torno das bordas do conjunto de ligado utilizando uma agulha de seringa. O encapsulamento aumenta a confiabilidade mecânica dos conjuntos ligados. Use um único componente UV adesivo curável como NOA 86 para encapsular os chips ligados.
   2. Curar o adesivo utilizando uma lâmpada de UV para ~ 30 seg.

2. Caracterização dos Bonded Vertical-cavidade Lasers emissores de superfície (VCSELs)

NOTA: Após fabrico o próximo passo é avaliar o desempenho electro-óptico dos conjuntos ligados. A luz-corrente-tensão (LIV) curvas dos dispositivos são registrados pós-ligação usando uma estação de sonda. As seguintes etapas estão envolvidas para o ensaio:

1. Coloque o flip-chip dispositivo ligado para um palco transparente feito por encomenda. A fase tem um buraco perfurado no meio para fácil acesso para a luz emitida pelos VCSEL.
2. Coloque um fotodetector (PD) sob o palco transparente e alinhar a sua área ativa com o chip ligado usando um microscópio.
3. Precisamente posicionar as agulhas de sondagem sobre o Ni-Au almofadas sondagem utilizando um microscópio.
4. Injectar-se a 10 mA de corrente e medir a queda de tensão através do VCSEL e a luz emitida por ele utilizar uma unidade de fonte-medidor de corrente / tensão e um medidor de potência respectivamente.

Resultados

A Figura 7 mostra uma curva típica LIV que foi registada a partir de um dos muitos flip-chip de aparas aglomeradas VCSEL. Um bom jogo entre a potência óptica de medição para o fornecedor citado valores indicados bom funcionamento do dispositivos vinculados pós-ligação. As curvas também foram registados ridade e pós-encapsulação e na comparação, verificou-se que o encapsulante não teve nenhum efeito sobre a funcionalidade do chip (como mostrado na Figura 7). Além disso, u...

Discussão

Neste artigo, demonstramos thermo-compressão flip-chip de ligação de chips VCSEL únicos usando uma técnica de gravação direta a laser chamado LIFT. As etapas de fabrico envolvidas montagem impressão das micro-saliências de índio para as almofadas de contacto do substrato, utilizando a técnica de elevador. Isto foi seguido por termo-compressão flip-chip de ligação de fichas VCSEL aos substratos batido e, finalmente, a sua encapsulação.

Confiabilidade elétrica, óptica e mecâ...

Materiais

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