Uso de láseres para unir componentes electrónicos semiconductores

Diálogo del 5 de diciembre de 2022

by Pol Sopeña and David Grojo

Hoy en día, los láseres están bien establecidos en la vida diaria, aunque a veces es difícil saber qué son y dónde están. A modo de ejemplo, podemos encontrarlos en lectores de CD/DVD o aplicaciones médicas como el cáncer y la cirugía ocular, siendo herramientas imprescindibles en un amplio abanico de campos multidisciplinares. Todo ello es fruto de un constante progreso y desarrollo, desde el primer láser de rubí de Maiman (1960) hasta los láseres de attosegundo, pasando por exóticas y divertidas demostraciones como los láseres de gelatina.

En la búsqueda de obtener constantemente fuentes más intensas, los láseres ultracortos (con pulsos en el régimen de femtosegundos) representaron un claro avance, ya que permitieron la entrega de alta intensidad en espacios confinados en la nanoescala. En particular, permiten inducir fenómenos de absorción no lineal que, por ejemplo, permiten modificar localmente el interior de materiales transparentes con un presupuesto térmico bajo, no alcanzable con otras fuentes láser. Algunas demostraciones incluyen la escritura de guías de ondas en gafas o la creación de patrones complejos en 3D con polímeros.

Los láseres ultrarrápidos abrieron la puerta para soldar materiales transparentes apilados irradiando a través del superior y enfocándose en la interfaz entre ellos. La alta intensidad da como resultado una fusión local casi instantánea y la posterior resolidificación, mezcla y unión de ambos materiales. Esto se demostró con varios materiales, incluidos vidrios, polímeros, cerámicas y metales en diversas configuraciones.

Si bien la soldadura láser ultrarrápida seguramente encontraría aplicaciones inmediatas en microelectrónica, es sorprendente darse cuenta de que el proceso no es directamente aplicable para unir diferentes piezas de trabajo de semiconductores. Las altas intensidades requeridas para la modificación del vidrio interno dan como resultado fuertes no linealidades de propagación en los semiconductores debido a su pequeña banda prohibida, que tiende a desenfocar y deslocalizar la radiación infrarroja intensa.

Para enfrentar este desafío, tuvimos que pensar fuera de la caja, y lo que al principio parecía ser un paso atrás resultó en una alternativa exitosa. En el corte sigiloso de las obleas de silicio, se utilizan pulsos infrarrojos de nanosegundos para crear defectos dentro del silicio que luego sirven como puntos débiles para producir cortes limpios. Los pulsos relativamente largos tienen intensidades más bajas que los ultracortos, evitando no linealidades de propagación no deseadas, pero al mismo tiempo, pueden ser absorbidos en el punto focal por absorción de dos fotones. En base a esto, pasamos a pulsos más largos utilizando estas modificaciones internas no como defectos sino como fuertes puntos de unión.

Durante nuestras primeras pruebas de soldadura de piezas de silicio, mediante el empleo de imágenes infrarrojas de la interfaz, encontramos una restricción adicional. A menos que la brecha en la interfaz sea casi inexistente, incluidas las condiciones de contacto óptico, el alto índice de refracción típico de los semiconductores da como resultado una cavidad de Fabry-Perot que impide alcanzar una densidad de energía lo suficientemente alta como para fundir ambos materiales. Por lo tanto, el contacto más íntimo entre los materiales superior e inferior es necesario para lograr una soldadura exitosa.

Después de establecer las condiciones adecuadas para eludir estos efectos, realizamos con éxito la primera demostración experimental de soldadura láser silicio-silicio. Después de un proceso de optimización, más tarde podríamos extender este enfoque a otros semiconductores como el arseniuro de galio en diferentes configuraciones junto con el silicio. No solo logramos la unión entre diferentes piezas de trabajo, sino que lo logramos mientras alcanzamos fuertes fuerzas de corte del orden de varias decenas de MPa. Estos valores se comparan bien con las demostraciones de soldadura por láser ultracorto de otros materiales y las técnicas actualmente empleadas de unión de obleas.

Este exitoso experimento, ahora publicado en Laser & Photonics Reviews, confirma una barrera tecnológica que se ha levantado definitivamente. En comparación con los métodos alternativos en la industria de los semiconductores, una ventaja única de la microsoldadura láser es la capacidad de unir elementos con arquitecturas complejas de múltiples materiales en una forma de escritura directa que de otro modo no sería posible. Esto debería dar lugar a nuevas modalidades de fabricación en electrónica, fotónica de infrarrojo medio y sistemas microelectromecánicos (MEMS). Además, visualizamos el potencial de los conceptos emergentes de chips híbridos, que incluyen funciones electrónicas y de microfluidos para la gestión térmica de las microtecnologías más exigentes, como superordenadores o sensores avanzados.

Esta historia es parte de Science X Dialog, donde los investigadores pueden informar sobre los hallazgos de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre ScienceX Dialog y cómo participar.

Más información: Pol Sopeña et al, Soldadura por láser de transmisión de materiales semiconductores similares y diferentes, Reseñas de láser y fotónica (2022). DOI: 10.1002/lpor.202200208

El Dr. Pol Sopeña y el Dr. David Grojo son investigadores del laboratorio LP3 ubicado en Marsella, Francia. LP3 es una unidad conjunta entre el Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS) y la Universidad de Aix-Marseille. Después de obtener un Ph.D. en la Universidad de Barcelona, ​​Pol Sopeña se unió a LP3 como becario postdoctoral, donde ahora concentra su trabajo en nuevas soluciones de procesamiento de semiconductores. David Grojo es un científico permanente del CNRS que investiga nuevas y emocionantes oportunidades para adaptar las propiedades de los materiales con radiaciones no convencionales. Sus actividades están financiadas por una ERC Consolidator Grant del pilar Excellence Science del European Research Council (cordis.europa.eu/project/id/724480).