08.10.2022
Mit der sogenannten Flip-Chip-Technologie können verschiedene Chips, die entweder auf Halbleiter- oder Supraleiter-Schaltungstechnik basieren können, direkt miteinander kontaktiert werden. Des Weiteren ist eine Verbindung zu optischen Bauteilen möglich. Um den Anwendungsbereich von Supraleitungsschaltungen an der PTB zu erweitern wurden verschiedene technologische Prozesse, die essentiell für das Flip-Chip-Bonden sind, optimiert.
Wegen zunehmender Anforderungen an supraleitende Schaltungen setzt die PTB Flip-Chip-Technologie ein, um komplexe Hybrid-Chips, Chip-zu-Chip-Schaltungen oder Multi-Chip-Module zu realisieren. Die Flip-Chip-Technologie ist ferner interessant für zukünftige Anwendungen, die auf supraleitenden Quantenschaltungen beruhen.
Für die fasergekoppelte optoelektronische Erzeugung und Detektion von breitbandigen Mikrowellensignalen und für das optisch-pulsgetriebene AC-Josephson-Spannungsnormal werden optische Pulse mittels Glasfasern zu hochfrequenztauglichen Photodioden übertragen. Die sehr kleinen Photodioden müssen dazu direkt auf die Halbleiter- oder Supraleiterchips aufgebracht und mit den Chips kontaktiert werden. Um das Kontaktieren zu optimieren, wurden an der PTB zunächst sogenannte Stud-Bumps aus Gold mittels eines vorhandenen Ball-Bonders auf die Leiterbahnen der Chips aufgebracht. Bislang genutzter Gold-Draht mit einem Durchmesser von 25 µm ermöglichte nur vergleichsweise große Stud-Bumps mit einer relativ geringen Positioniergenauigkeit, was häufig zu Kurzschlüssen zwischen den schmalen Hochfrequenzleitungen führte. Daher wurden Untersuchungen mit dünnerem Gold-Draht durchgeführt, der einen Durchmesser von nur 17 µm aufweist. Nach Optimierung aller Parameter ließ sich der Ball-Bonder auch für Stud-Bumps mit diesem Drahtdurchmesser erfolgreich einsetzen. Wie Bild 1 zeigt, konnte der Durchmesser der Gold-Stud-Bumps nach dem Optimierungsprozess um etwa 25 % reduziert werden. Wegen der geringeren Größe der Stud-Bumps lässt sich so die Kurzschlussgefahr während der Thermo-Kompression beim Flip-Chip-Prozess weitgehend vermeiden.
Um eine optische Faser möglichst präzise auf einen Halbleiter- oder Supraleiterchip zu positionieren, wurden Glas-Sleeves mit einer typischen Länge von 10 mm auf dem Chip geklebt. Mit Hilfe der Flip-Chip-Technologie wurde die Positioniergenauigkeit der Glas-Sleeves deutlich verbessert, wie in Bild 2 gezeigt ist. Zur Überprüfung der Qualität der Klebung wurden die fertigen Chips mehrfach zwischen 300 K und 4 K abgekühlt und aufgewärmt. Diese Untersuchungen zeigten, dass Klebstoff und Sleeves unter mehrfachem Abkühlen und Aufwärmen nicht nennenswert leiden.
Durch die erwähnten Optimierungsprozesse ist gewährleistet, dass die Flip-Chip-Technologie auch für fortschrittliche supraleitende Schaltungen eingesetzt werden kann.
Bild 1: Vergleich der Abmessung der Gold-Stud-Bumps vor der Optimierung (links) und nach der Optimierung (rechts).
Bild 2: Durch Flip-Chip Technologie wurden zwei Sleeves genau positioniert und auf den Chip geklebt. Die Chipgröße ist 10 mm × 10 mm.
Ansprechperson:
Hao Tian
Fachbereich 2.4 „Quantenelektronik“
hao.tian@ptb.de