Indium bump bonding Selex G Alimonti INFN Milano

Indium bump bonding @Selex G. Alimonti INFN, Milano 12 Gennaio 2011 Stessa tecnica utilizzata per la metà dei moduli Atlas pixel ma: • FE con maggior area (19 x 20 mm anzichè 7 x 11 mm) e possibilmente più sottile (100 μm (? ) invece di ~200 μm ) • Un ordine di grandezza in più di bump (26880 anzichè 2880) (maggior superficie FE e minor dimensione pixel (50 x 250 μm invece di 50 x 400 μm )) Programma: • Verificare la tecnica con FE e sensori dummy (test di resistività catene di bump) • Assottigliare il FE e riverificare il bonding (test di resistività catene di bump) • FE e sensori reali si “inseriscono” nel bonding e si verifica la completa funzionalità Test e misure fatte a Genova da G. Darbo, C. Gemme & A. Rovani

Flip-Chip dummy Dummy FE Dummy sensor 164 Pixels shorted 8 Pixels shorted 6 Pixels shorted 4 Pixels shorted Dummy detector è fatto in modo da realizzare delle daisy-chain in modo da verificarne i contatti: ~20000 bump testate/chip su 26880.

Primi step Primi test: dei 4 dummy detector realizzati due hanno tutte catene open e due hanno circa la metà OK (quelle centrali). Problemi di forza e di flessione? La distanza tra FE e sensore risulta essere ~22 μm confronto ai detector Atlas pixel ~15 μm (altezza bump prima del flip-chip ~9 μm ) Parametri bonding FE-I 3: ~2 Kg @ 90 °C Parametri bonding FE-I 4: 4 Kg @ 90 °C (anzichè ~ 16 Kg) In attesa di tool di bonding di 20 x 21 mm (attuale 14 x 16 mm ), sfruttando la plasticità dell’Indio (fusione @ 156 °C ), si vuole provare flip-chip senza superare i 5 Kg

Dummy 5148 Bump resistance [Ω] Parametri bonding: 10 Kg @ 90 °C Column # Out of 3 dummies: 2 open columns (79, 80) and 1 short (78)

T 1 T 4 5148 B 1 B 4

To Bo p tto lef rig m t ht lef rig t ht 5134_7 -5142_4

Ultimi chip prodotti Dummy 5134_8 -5142_4 Dummy 5143_8 -5142_4 Parametri bonding: 12 Kg @ 90 °C • Dummy 5134_7 -5142_4 • • Resistenza ~13± 3Ω per bump: valori compatibili per Indio ( FE-I 3 ~10Ω ) Non ci sono corti tra le colonne 3 open columns (bumps? ): open ~10 -4(? ) Immagini X-ray mostrano: – Ragionevole uniformità delle bump – Sufficiente planarità nel flip chip Next step: assottigliare i chip

Thin FE chip at IZM Bow profile along a diagonal 16. 8 mm FE-I 4 11. 1 mm FE-I 3 FE-I 3 15µm 1 x 1 FE-I 3, 190µm ok 7. 4 mm 20. 2 mm 190µm thick 0. 26% X 0 FE-I 3 2 x 3 FE-I 3 (FE-I 4 size), 190µm not ok 350 - 400µm thick ~0. 5% X 0 – • • Current flip chip technique: IZM solder Sn. Ag Chip bow during flip chip – Due to CTE mismatch between Si bulk and metals – ~ 1/d 3, d = chip diagonal New techniques using handle-wafers during flip chip and lift-off after flip chipping are needed – 3 methods studied so far with IZM Berlin AUW, IBL & HL-LHC 2 x 3 FE-I 3 (FEI 4 size), 300µm not sufficient Fabian Hügging - Univ. Bonn ~ peak temp. of reflow process 8

First investigations and problems 1 st method: wax • • First two methods used resp. a wax and a Brewer glue for carrier bonding Not successful – – thinning ok, but chips bent up at the corners, opposite to the End Of Column region Bump bonds do not connect in this area ATLAS pixel module with 90 µm thick FE-I 2 2 nd method: Brewer glue 2 x 2 FE-I 3 array = 66% FE-I 4, 90 µm, on dummy sensor w/o carrier chip w/ carrier chip open bumps at the corner of the FE AUW, IBL & HL-LHC Fabian Hügging - Univ. Bonn 9

Polyimide method Process steps: thinning of FE wafer Mounting on glass carrier wafer using polyimide glue Bumping process on FE frontside Glass carrier on Si testchip before laser exposure_25 x Dicing of FE wafer and carrier wafer package FE flip chip bonding to sensor tile Laser exposure of chip backside Carrier chip detach Glass carrier on Si testchip after laser exposure_25 x 2 x 2 FE-I 2 array, 90 um, on dummy sensor Cross section cut of first column all bumps are connected!!! 90 µm AUW, IBL & HL-LHC Fabian Hügging - Univ. Bonn 10

Parametri bonding nuovi: ~12 Kg @ 90 °C Dummy 5143_8 -5142_4

Parametri bonding nuovi: ~12 Kg @ 90 °C Dummy 5134_8 -5142_4

Parametri bonding nuovi: ~12 Kg @ 90 °C Dummy 5134_7 -5142_4