Usando lasers para ligar componentes eletrônicos semicondutores

Oct 20, 2023

Diálogo de 5 de dezembro de 2022

por Pol Sopeña e David Grojo

Hoje, os lasers estão bem estabelecidos na vida cotidiana, mesmo que às vezes seja difícil dizer o que e onde eles estão. A título de exemplo, podemos encontrá-los em leitores de CD/DVD ou em aplicações médicas como o cancro e a cirurgia ocular, sendo ferramentas essenciais num vasto leque de áreas multidisciplinares. Tudo isto é fruto de um progresso e desenvolvimento constantes, desde o primeiro laser de rubi de Maiman (1960) aos lasers de attossegundos, passando por demonstrações exóticas e divertidas como os lasers Jell-O.

Na busca pela obtenção constante de fontes mais intensas, os lasers ultracurtos (com pulsos em regime de femtossegundos) representaram um claro avanço, pois permitiram a entrega de alta intensidade em espaços confinados na nanoescala. Em particular, permitem induzir fenômenos de absorção não linear que, por exemplo, permitem modificar localmente o interior de materiais transparentes com baixo balanço térmico, não alcançável com outras fontes de laser. Algumas demonstrações incluem guias de onda escrevendo em óculos ou criando padrões 3D complexos com polímeros.

Os lasers ultrarrápidos abriram a porta para soldar materiais transparentes empilhados, irradiando pelo topo e focando na interface entre eles. A alta intensidade resulta em fusão local quase instantânea e posterior ressolidificação, mistura e ligação de ambos os materiais. Isso foi demonstrado com vários materiais, incluindo vidros, polímeros, cerâmicas e metais em diversas configurações.

Embora a soldagem a laser ultrarrápida certamente encontre aplicações imediatas em microeletrônica, é surpreendente perceber que o processo não é diretamente aplicável à união de diferentes peças semicondutoras. As altas intensidades necessárias para a modificação do vidro interno resultam em fortes não linearidades de propagação em semicondutores devido ao seu pequeno bandgap, que tende a desfocar e deslocalizar a intensa radiação infravermelha.

Para enfrentar esse desafio, tivemos que pensar fora da caixa, e o que a princípio parecia um retrocesso resultou em uma alternativa de sucesso. No corte furtivo de wafers de silício, pulsos de nanossegundos infravermelhos são usados ​​para criar defeitos dentro do silício que mais tarde servem como pontos fracos para produzir cortes de ponta limpa. Os pulsos relativamente longos possuem intensidades menores que os ultracurtos, evitando não linearidades indesejadas de propagação, mas ao mesmo tempo, podem ser absorvidos no ponto focal por absorção de dois fótons. Com base nisso, passamos para pulsos mais longos usando essas modificações internas não como defeitos, mas como fortes pontos de ligação.

Durante nossos primeiros testes de soldagem de peças de silício, empregando imagens infravermelhas da interface, encontramos uma restrição adicional. A menos que o gap na interface seja quase inexistente, inclusive nas condições de contato óptico, o alto índice de refração típico dos semicondutores resulta em uma cavidade Fabry-Perot que impede atingir uma densidade de energia alta o suficiente para fundir ambos os materiais. Assim, o contato mais íntimo entre os materiais superior e inferior é necessário para obter uma soldagem bem-sucedida.

Depois de estabelecer as condições certas para contornar esses efeitos, fizemos com sucesso a primeira demonstração experimental de soldagem a laser de silício-silício. Após um processo de otimização, poderíamos posteriormente estender essa abordagem para outros semicondutores, como o arsenieto de gálio em diferentes configurações ao lado do silício. Não apenas alcançamos a ligação entre diferentes peças de trabalho, mas também alcançamos fortes resistências à força de cisalhamento da ordem de várias dezenas de MPa. Esses valores se comparam bem às demonstrações de soldagem a laser ultracurto de outros materiais e às técnicas de união de pastilhas atualmente empregadas.

Esta experiência bem sucedida, agora publicada em Laser & Photonics Reviews, confirma uma barreira tecnológica que foi definitivamente levantada. Em comparação com métodos alternativos na indústria de semicondutores, uma vantagem exclusiva da microssoldagem a laser é a capacidade de unir elementos com arquiteturas multimateriais complexas de uma maneira de gravação direta que não seria possível de outra forma. Isso deve levar a novas modalidades de fabricação em eletrônica, fotônica de infravermelho médio e sistemas microeletromecânicos (MEMS). Além disso, vislumbramos o potencial para os conceitos emergentes de chips híbridos, incluindo funções eletrônicas e microfluídicas para o gerenciamento térmico das microtecnologias mais exigentes, como supercomputadores ou sensores avançados.