Flip-Chip – eine vielversprechende Aufbautechnologie für THz-Anwendungen
Abb. 1: (a) 3D-Ansicht Flip-Chip-Übergang, (b) "back-to-back" Flip-Chip-Teststruktur, (c) fertiges Modul mit 3 Chips gebondet auf AlN-Substrat
Abb. 2: Transmissions- (o.) und Reflexionskoeffizient (u.) einer "back-to-back"-Teststruktur als Funktion der Frequenz: Messungen (durchgezogene Linien) und 3D-EM-Simulationen (gestrichelt)
Flip-Chip-Aufbauten bieten im Vergleich zum Drahtbonden kürzere Verbindungswege und ermöglichen somit höhere Bandbreiten. Mithilfe von Halbleiter-Fabrikationsverfahren können miniaturisierte Wellenleiterstrukturen mit hoher Präzision auf HF-Trägersubstraten hergestellt werden, deren Bandbreite laut 3D-EM-Simulation bis zu 500 GHz betragen kann.
Einen derartigen Aufbau mit einer Flip-Chip-Verbindung der Streifenleitung auf dem HF-Chip zur Koplanarleitung auf dem HF-Substrat hat das FBH kürzlich entwickelt. Dieser zeigt eine gemessene -1 dB-Bandbreite von 250 GHz. Der HF-Wellenleiter auf der Chipseite wurde in einem Mehrlagenaufbau mit einer etwa 10 µm breiten Au-Signalleitung realisiert. Diese Leitung wurde zwischen einer oberen und einer unteren Au-HF-Masseebene in Benzocyclobuten (BCB) eingebettet. BCB weist eine geringe Dielektrizitätskonstante von 2,65 sowie einen niedrigen Verlustwinkel (< 10-3) auf und kann bei Temperaturen unter 300°C prozessiert werden. Damit ist BCB zur InP-HBT-Technologie kompatibel.
Auf dem Aluminiumnitrid (AlN)-Trägersubstrat wurden koplanare Wellenleiter in einem Gold-Galvanikprozess hergestellt. Als verbindende Strukturen zwischen Chip und Substrat dienten 6 µm dicke Microbumps mit 10 µm Durchmesser, die aus einem Schichtsystem mit einer summarischen eutektischen Au80Sn20-Zusammensetzung bestehen. Abschließend wurden die Chips mithilfe eines halbautomatischen Flip-Chip-Bonders auf das Trägersubstrat montiert. Die laterale Positioniergenauigkeit dieser Anlage liegt bei etwa ±1 µm bei einer im Design vorgesehenen Toleranz von ±2 µm. Während des Bondprozesses werden sowohl Chip als auch Träger kurzzeitig über einer Temperatur von 300°C gehalten, um die Au/Sn-Mikrobumps mit dem Substrat-Gold zu legieren. Somit wird zwischen Chip und Substrat sowohl eine elektrische als auch eine mechanische Verbindung hergestellt.
Kleinsignal-HF-Messungen zeigen eine Einfügedämpfung von <1 dB pro Verbindung und Reflexionen unter -10 dB im gesamten Frequenzband von DC bis zu 250 GHz. Dies sind die besten bisher publizierten Flip-Chip-Aufbauten im Frequenzbereich bis 250 GHz.
FBH-Forschung: 17.11.2014