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热超声倒装键合界面运动与界面性能的生成规律研究

作 者: 王福亮
导 师: 钟掘
学 校: 中南大学
专 业: 机械电子工程
关键词: 热超声倒装键合 键合过程监测 运动传递 键合机理 键合强度 键合可靠性 新型倒装键合工艺 原子扩散
分类号: TN405
类 型: 博士论文
年 份: 2007年
下 载: 263次
引 用: 6次
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内容摘要


热超声倒装键合是最具潜力的新一代微电子封装技术之一,目前尚缺乏对键合机理的透彻分析与掌握。如何通过优化工艺、运动与能量参数来获得高性能的倒装键合界面、提高多点键合的可靠性,以形成成套的高效率、高精度、高质量的工业技术与装备,对微电子制造仍然是重大挑战。本文针对热超声倒装键合界面运动与界面性能生成规律进行研究,所开展的研究工作和主要认识有:1)建立了热超声倒装键合试验系统,该系统可在超声、热、力等作用下完成倒装键合工艺;建立了在线参数监测系统,对键合过程的超声功率、键合力、工具传递的超声振动和芯片振动等参数进行采集;研究了“键合参数—界面运动—键合界面微观结构—键合性能”的键合过程和键合质量的评估原理。2)发现键合过程工具/芯片界面的相对运动由速度相同演变为“速度分离”,突变点在启动后数毫秒间,说明工具载有的能量在两个阶段有不同形式的转化与耗散。在“突变点”处键合界面已形成初始强度,而“速度分离”后工具载有的能量一部分通过金球的流变传递到键合界面系统继续增强界面结合强度;另一部分消耗于工具/芯片界面的摩擦磨损。据此过程特征,提出以“速度分离”点为界的变键合参数工艺思路。3)分析了芯片振动信号的频率组成,发现其三倍频信号是“速度分离”的特征信号,提出以三倍频信号控制键合过程的思路。4)从SEM中观察到了环状键合界面。通过建立了键合界面的有限元模型,研究了键合过程中不同状态下键合界面的应力分布,发现接触面边缘的应力远大于其它位置,更有利于氧化膜去除、驱动原子扩散,并形成键合强度,这是产生环状键合界面的重要原因。5)获得了键合机理的初步认识:在键合力和超声作用下,金凸点/焊盘中产生高达数百MPa的应力,使金凸点和焊盘中的位错大量增殖、产生塑性流变、接触界面的氧化膜破裂;金凸点/焊盘在塑性流动过程中,将氧化膜碎片带出接触面,使键合界面裸露的金和银原子直接接触,一方面通过电子云共享形成化学键(金属键),另一方面形成物理键(范德华力吸附),生成最初始的键合强度。在持续的循环应力加载和卸载过程中,位错密度迅速增加,接触面逐步扩大;同时,键合界面原子在高达数百MPa应力作用下,获得了足够的能量,越过势垒,沿着接触界面、晶界和位错等短路通道,在数百毫秒时间内实现互扩散,生成数百纳米厚的原子扩散区域,形成可靠的键合强度。6)研究了键合参数对工具末端振幅、芯片振幅、倒装芯片键合强度以及键合界面微观结构的影响,观测到不同的键合失效形式。获得了键合界面强度的新认识:“键合强度”是键合区域各结构组成的强度,而不仅是金凸点/基板焊盘界面的强度。7)提出了新型键合参数加载方案:在键合初期采用大超声功率、小键合力,有利于金凸点和焊盘界面的相对运动,提高键合接触面氧化膜的去除效率,形成更多的原子裸露直接接触界面;之后,采用小超声功率、大键合力,以提高接触界面的应力场梯度,促进界面间的原子互扩散,同时降低超声振动对金凸点、焊盘等键合区域面组成部分的疲劳破坏,提高键合区域的整体强度。试验验证了这种新型键合参数加载方法的有效性。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
目录  9-12
第一章 综述  12-28
  1.1 本研究的工程背景  12-13
    1.1.1 国内外微电子封装技术的发展现状  12-13
    1.1.2 微电子封装装备产业  13
  1.2 芯片互连技术的发展现状  13-20
    1.2.1 引线键合(WB)技术  14-16
    1.2.2 载带自动焊(TAB)技术  16-18
    1.2.3 倒装芯片键合(FCB)技术  18-19
    1.2.4 各种芯片互连技术比较  19-20
  1.3 国内外热超声倒装键合技术的发展现状  20-24
    1.3.1 热超声倒装键合应用研究  21
    1.3.2 键合参数对键合强度和可靠性影响研究  21-22
    1.3.3 热超声倒装键合机理和装备研究  22-24
    1.3.4 超声功率和键合力加载曲线研究及其他  24
  1.4 本文的课题来源、研究内容、研究方法  24-28
    1.4.1 课题来源  24
    1.4.2 研究内容和研究思路  24-28
第二章 热超声倒装键合实现及基本实验设计与观测  28-52
  2.1 热超声倒装键合试验台  28-36
    2.1.1 热超声倒装键合工艺介绍  28-29
    2.1.2 热超声倒装键合试验台组成与功能  29-33
    2.1.3 热超声倒装试验材料体系  33-34
    2.1.4 热超声倒装键合过程  34-36
  2.2 热超声倒装键合过程监测系统  36-43
    2.2.1 监测系统硬件构成  36-40
    2.2.2 监测系统软件构成  40-43
  2.3 键合过程监测系统数据采集和分析  43-50
    2.3.1 超声功率信号采集和分析  43-46
    2.3.2 倒装工具/芯片振动信号采集和分析  46-48
    2.3.3 其他信号采集和分析  48-50
  2.4 小结  50-52
第三章 外场作用下热超声倒装键合系统的运动与能量传递分析  52-74
  3.1 概述  52-53
    3.1.1 超声振动在变幅杆和倒装工具中的传递研究进展  52
    3.1.2 超声在倒装界面间的传递研究进展  52-53
  3.2 超声在变幅杆/工具中的传递  53-59
    3.2.1 超声在变幅杆中的传递  53-56
    3.2.2 超声在倒装工具中的传递  56-59
  3.3 超声在倒装界面间的传递过程  59-72
    3.3.1 倒装工具/芯片界面的运动传递过程  59-70
    3.3.2 倒装工具/芯片界面的运动传递模型  70-72
  3.4 小结  72-74
第四章 热超声倒装键合界面结构与强度  74-94
  4.1 金凸点/焊盘界面的有限元模型及其求解  74-78
    4.1.1 金凸点/焊盘界面的有限元模型  74-76
    4.1.2 模型求解  76-78
  4.2 键合力和超声振动对键合面应力分布的影响  78-84
    4.2.1 键合力对键合面应力分布的影响  79-82
    4.2.2 超声振动对键合面应力分布的影响  82-84
  4.3 键合强度的形成机理  84-93
    4.3.1 键合材料表面氧化膜的去除机理  84-89
    4.3.2 键合界面原子扩散的机理  89-92
    4.3.4 键合强度的形成机理  92-93
  4.4 小结  93-94
第五章 热超声倒装键合工艺优化  94-120
  5.1 超声功率对热超声倒装键合的影响  94-98
    5.1.1 超声功率的动态变化特征  94-95
    5.1.2 超声功率对工具末端和芯片振幅及键合强度的影响  95-98
  5.2 键合力对热超声倒装键合的影响  98-101
    5.2.1 倒装键合系统中的键合力施加装置原理  98-99
    5.2.2 键合力对工具末端和芯片振幅的影响  99-100
    5.2.3 键合力对倒装界面微观形貌的影响  100-101
  5.3 键合时间对热超声倒装键合的影响  101-104
    5.3.1 键合时间对工具末端和芯片振幅的影响  102
    5.3.2 键合时间对热超声倒装键合强度的影响  102-103
    5.3.3 键合时间对倒装界面微观形貌的影响  103-104
  5.4 超声作用下金凸点的变形测量  104-107
    5.4.1 金凸点变形率的测量  104-106
    5.4.2 金凸点在超声作用下的相对变形规律  106-107
  5.5 热超声倒装键合的典型失效形式  107-110
    5.5.1 金凸点的两种典型失效形式  107-108
    5.5.2 芯片表面磨损  108
    5.5.3 芯片焊盘破碎  108-109
    5.5.4 键合界面键合强度低  109-110
    5.5.5 键合界面失效的多种内涵  110
  5.6 新型热超声倒装键合工艺的提出  110-111
  5.7 阶梯式键合参数加载过程对倒装键合强度的影响  111-119
    5.7.1 阶梯式键合力加载试验  111-115
    5.7.2 阶梯式超声功率加载  115-119
    5.7.3 阶梯式键合参数加载优化  119
  5.8 小结  119-120
第六章 全文总结  120-122
参考文献  122-132
致谢  132-133
攻读学位期间发表的论文和参与科研情况  133-134

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 微电子学、集成电路(IC) > 一般性问题 > 制造工艺
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