Gemeinsamer Schlussbericht Abschlussbericht HF-OEAVT Höchstfrequente Aufbauund Verbindungstechniken für optoelektronische Komponenten (UMTS 048 HF-OEAVT) Verbundpartner: Teilvorhaben (Förderkennzeichen: 01AK924B): Entwicklung und Aufbau von 100 GHz-Fotoempfängern Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik (HHI), ab 11.11.2002: Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut (HHI) Einsteinufer 37, D-10587 Berlin Tel.: 030/31002-221, Fax: 030/31002-558, e-mail: rosin@hhi.fraunhofer.de Verbundkoordinator, Projektleiter: Dr. Thomas Rosin Teilvorhaben (Förderkennzeichen: 01AK924A): Trägerherstellung, Bumping und Montage von 100 GHz-Fotoempfängern Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) Gustav-Meyer-Allee 25, D-13355 Berlin Tel.: 030/46403-163, Fax: 030/46403-161, e-mail: oppermn@izm.fraunhofer.de Projektleiter: Dr. Hermann Oppermann Laufzeit: 1.4.2001 bis 31.12.2003 Programmbezug: Kooperation FHG/GMD/HHI, Stärkung der außeruniversitären Forschung im Bereich der Informationstechnik im Rahmen der Fusion von FhG und GMD zum Thema Leben und Arbeiten in einer vernetzten Welt - 1 -
Bearbeiter im HHI: Dr. Thomas Rosin (Verbundkoordinator, Projektleiter) Hr. Thomas Eckhardt Hr. Giorgis Mekonnen Fr. Angela Seeger Dr. Heinz-Gunter Bach Hr. Andreas Beling Dr. Reinhard Kunkel Hr. Gabriel Sahin Dr. Constantin Sakkas Hr. Wolfgang Schlaak Hr. Detlef Schmidt Hr. Marco Stollberg Bearbeiter im IZM: Abteilung HDI (Leiter Oswin Ehrmann): Dr. Gunter Engelmann Dr. Michael Töpper Dipl.-Ing. Katrin Scherpinski Dipl.-Ing. Thomas Fritzsch Kerstin Orth Lothar Dietrich Abteilung P2SA (Leiter: Dr. Lang): Dr. Hermann Oppermann (Projektleiter) Maria von Suchodoletz Matthias Hutter Dr. Rafael Jordan Bettina Otto Karin Kaschlun Matthias Klein - 2 -
I Kurze Darstellung...4 1. Aufgabenbeschreibung...4 2. Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde...4 3. Planung und Ablauf des Vorhabens...4 4. Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn des Vorhabens...4 5. Zusammenarbeit mit anderen Stellen...4 Einleitung...5 Gemeinsame Projektziele und Arbeitsaufteilung...7 II Eingehende Darstellung der Ergebnisse...8 Flip-Chip Prozesse...10 AuSn Reflowlöten...11 AuSn Thermodenlöten...11 Thermokompressionsverfahren...12 Niedertemperatur Thermokompressions Bonden...13 Zusammenfassung Niedertemperatur TC Bonden...19 Temperaturstabilität und Kompatibilität...20 Temperaturstabilität...20 Kompatibilität...22 AuSn Bumps...25 Herstellung der galvanischen AuSn-Schichten...25 Prozessauswahl...27 FC-Bumps im HF-Testmodul...29 Entwicklung einer Faser-Chip-Koppelmethode und Aufbau eines Koppelplatzes...32 HF-Design...33 Design für HF-Testsubstrat (CPW-Leitung)...33 Design für HF-Testsubstrat (MS-Leitung)...34 Test-Substratherstellung...38 Messungen am HF-Testsubstrat...39 Konzept für HF-Modul in FC-Technik...42 HF-Modul mit W-Stecker...43 Messungen am HF-Modul...44 Zuverlässigkeitstests am HF-Modul...46 Zusammenfassung...47 Verwertbarkeit der Ergebnisse...48 Fortschritte von anderer Stelle...48 Erfolgte Veröffentlichungen...48 Literatur:...49-3 -
I Kurze Darstellung 1. Aufgabenbeschreibung Die im Rahmen des Projektes Höchstfrequente Aufbau- und Verbindungstechniken für optoelektronische Komponenten HF-OEAVT durchgeführten Arbeiten hatten ihre Schwerpunkte in dem Bereich Photonische Netze. Die behandelten Themen waren auf Techniken und Technologien für hochkapazitive optische Kommunikationsnetze der nächsten Generation ausgerichtet. Die behandelten Fragestellungen waren somit auf die vorderste Front der technischen und technologischen Entwicklung konzentriert. 2. Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde Der Förderprogrammbezug war die Kooperation zwischen FhG, der GMD und dem HHI, speziell die Stärkung der außeruniversitären Forschung im Bereich der Informationstechnik im Rahmen der Fusion von FhG und GMD zum Thema Leben und Arbeiten in einer vernetzten Welt. Das Projekt HF-OEAVT war Teil des Vorhabens zur Integration des HHI in die Fraunhofer Gesellschaft. Im HHI und im IZM wurden gemeinsame Forschungsinteressen sowie F&E-Bereiche identifiziert, in denen sich komplementäres Know-how ergänzte. Das HHI stellte den Projektleiter. 3. Planung und Ablauf des Vorhabens Das Vorhaben wurde im Rahmen eines Workshops initiiert. Die Teilprojekte wurden dann in einzelnen Arbeitsgruppen, bestehend aus den Partnerinstituten, geplant. Nach Bewilligung des Vorhabens wurden alle Teilprojekte wie geplant im Zeitraum zwischen dem 1.4.2001 und 1.7.2001 gestartet und in enger Kooperation mit den jeweiligen Partnern bis Ende 2003 durchgeführt. Die Partner des Projekts HF-OEAVT waren anfangs das Fraunhofer-IZM und das Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik Berlin GmbH, das am 11.11.2002 in die FhG aufgenommen wurde und jetzt Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut (HHI) heisst. 4. Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn des Vorhabens Optische Kommunikationssysteme mit Datenraten von 40 Gbit/s im Einzelkanal wurden bereits im Feldversuch erprobt. Ein steigender Bedarf an Übertragungskapazität war abzusehen. Hierfür sind schnelle Sende- und Empfängerkomponenten erforderlich. Eine zuverlässige und kostengünstige Aufbau- und Verbindungstechnik für den Bereich oberhalb ca. 50 GHz stand nicht zur Verfügung. Dämpfungsarme HF-Leitungen auf dem Trägersystem Silizium und BCB (Benzocyclobuten) waren ebenso wenig untersucht, wie Flip-Chip- Verbindungen von diesem System zu InP. 5. Zusammenarbeit mit anderen Stellen Die Arbeiten zum Projet HF-OEAVT wurden gleichberechtigt im HHI wie im IZM durchgeführt. Eine enge Zusammenarbeit war mit der Arbeitsgruppe für schnelle Fotodioden am HHI notwendig. - 4 -
Einleitung Zukünftige optische Kommunikationssysteme werden durch Anwendung von hochbitratigen Übertragungskanälen eine hohe Bandbreite der optischen Fasern nutzen. Um die Möglichkeit der Übertragung von Terabits von Informationen über die Faser nutzen zu können, sind senderseitig schnelle Sendermodule und empfangsseitig schnelle Empfängermodule notwendig. Der Einbau der Sende- bzw. Empfänger-OEICs (opto-electronic integrated circuits) in das dafür vorgesehene Modulgehäuse mit den dazugehörigen Schnittstellen, welches in Fachkreisen als Packaging bezeichnet wird, nimmt hier eine Schlüsselstellung ein. Derzeit werden optische Kommunikationssysteme mit Datenraten von 40 Gbit/s im Einzelkanal bereits im Feldversuch erprobt. Auf Grund des ständig steigenden Bedarfs an Übertragungskapazität, getrieben insbesondere durch die rasante Ausweitung des Internets, ist abzusehen, dass die Datenrate pro Kanal weiterhin erheblich ansteigen wird. Hierfür sind entsprechend schnelle Sende- und Empfängerkomponenten erforderlich, die wiederum eine für hohe Frequenzen geeignete Verbindungstechnik benötigen. Eine zuverlässige und kostengünstige Aufbau- und Verbindungstechnik für den Bereich oberhalb ca. 50 GHz steht derzeit nicht zur Verfügung. Es zeigen sich bei hohen Frequenzen Probleme im HF- Übertragungsverhalten, wenn man herkömmliche Drahtbondverfahren verwendet: Reflexionen und Transmission zeigen durch Bonddrahtverbindungen starke Einbrüche im Frequenzgang, die durch die zusätzlichen Induktivitäten der Bonddrähte generiert werden. Dadurch werden gerade breitbandige Übertragungstechniken stark in ihrer Funktion eingeschränkt. Man versucht deshalb die Bonddrahtlängen stark zu verkürzen, was jedoch unter 250 µm Länge Schwierigkeiten verursacht (s.abb. 1). Abb. 1: Bonddrahtlänge 250 µm Eine attraktive Möglichkeit diese Probleme zu umgehen, stellt die Flip-Chip (FC)-Technik dar. Sie verfügt über ausgezeichnete Hochfrequenzeigenschaften, da die Bondlängen deutlich unter 100 µm liegen können, und bietet das Potenzial zu einer zeiteinsparenden und kostenreduzierenden Verbindungstechnik [1]. Bei der FC-Bondtechnologie werden die Bauelemente face down montiert (s. Abb. 2). Eine optische Inspektion der Lötstellen wird allerdings dadurch erschwert. Andererseits ermöglicht diese Art der Kontaktierung eine ungehäuste Chipmontage (direct chip attach). Abb. 2: Angewandte Flip-Chip-Technik (Chip auf Substrat) - 5 -