【畢業(yè)學(xué)位論文】超聲鍵合界面微結(jié)構(gòu)生成機理與規(guī)律研究-機械設(shè)計及理論博士論文

超聲鍵合界面微結(jié)構(gòu)生成機理與規(guī)律研究 作 者 姓 名 ： 李軍輝 學(xué)科專業(yè)：機械工程 (機械設(shè)計及理論) 學(xué) 院 ： 機電工程學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師 ： 鐘 掘 院士 中 南 大 學(xué) 2008 年 01 月 分類號 密級 博士學(xué)位論文 超聲鍵合界面微結(jié)構(gòu)生成機理與規(guī)律研究 on of 者 姓 名 ： 李軍輝 學(xué)科專業(yè)：機械工程 (機械設(shè)計及理論) 學(xué) 院 ： 機電工程學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師 ： 鐘 掘 院士 論文答辯日期 答辯委員會主席 中 南 大 學(xué) 2008 年 01 月 原 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是本人 在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中南大學(xué)或其他單位的學(xué) 位或證書而使用過的材料。 與我共同工作的同志對本研究所作的貢獻(xiàn)均已在在論文中作了明確的說明。 作者簽名： 日期： 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)說明 本人了解中南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué) 位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論文，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)校可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學(xué)位論文；學(xué)?？筛鶕?jù)國家或湖南省有關(guān)部門規(guī)定送交學(xué)位論文。 作者簽名： 導(dǎo)師簽名 日期： 中南大學(xué)博士學(xué)位論文 摘 要 要 本論文以超聲鍵合界面為對象， 系統(tǒng)研究了引線鍵合和熱聲倒裝鍵合界面的生成機理，解決了鍵合點縱截面透射電鏡 (品制作的難題，觀察到超聲能作用下界面材料位錯密度增加的現(xiàn)象，探討了超聲鍵合快速形成的微觀機制，剖析 了鍵合點微結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)成；采集了超聲驅(qū)動的電壓 /電流信號，得到了鍵合過程實時的超聲功率 /阻抗特性；研究了熱聲倒裝上 /下界面的原子擴散狀況，發(fā)現(xiàn)了上 /下界面擴散的非均勻性，試驗了多種模式的熱聲倒裝新工藝，提出了二界面擴散層厚度一致的工藝路線， 獲得了熱聲倒裝鍵合點界面超聲能傳遞 /轉(zhuǎn)化的比率規(guī)律。 研究工作主要包括如下幾個部分： 1. 超聲鍵合界面快速形成機理： 從鍵合界面的 試觀察到超聲鍵合層位錯密度劇烈增加的現(xiàn)象， 證實超聲鍵合界面間為位錯擴散，位錯引起晶格畸變，具有較低的擴散激活能，極易擴散，且，晶格位錯是一種快速擴散的通道機制， 位錯密度的增加也表明鍵合過程中未發(fā)生高溫回火而使位錯消失， 說明超聲鍵合是在回火溫度以下的原子擴散過程， 闡明了基于表面擴散、 位錯擴散的超聲快速鍵合機理。 2. 高分辨透射電鏡 (掃描透射 (式下， 測試到鍵合界面原子擴散層為 200征鍵合界面強度結(jié)構(gòu)的生成；鍵合區(qū)在拉力作用下分離界面形如環(huán)帶狀，周邊脊皺形成強的鍵合，并有明顯的斷裂韌窩，互擴散原子在對偶材料晶體中產(chǎn)生固溶 (或合中南大學(xué)博士學(xué)位論文 摘 要 強化，引起晶體晶格常數(shù)改變，其強度大于基體材料的強度，微鍵合區(qū)是一種空間多元結(jié)構(gòu)“引線材料擴散層基墊材料” 。 3. 超聲鍵合工藝參數(shù)與鍵合微結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律：在其它條件不變的情況下，隨著超聲功率的增加，鍵合界面周邊脊皺加??；隨著壓力增大，鍵合橢圓環(huán)逐步延伸擴大，脊皺鍵合區(qū)的面積增加；隨著鍵合時間的延長，脊皺延伸為完整的圓環(huán)，并向中央擴展。鍵合過程的實時功率特性反應(yīng)了超聲能量的傳遞 /轉(zhuǎn)化狀態(tài)，可為超聲鍵合可靠性提供了監(jiān)測思路。 4. 發(fā)現(xiàn)了 u/料體系中常規(guī)的 “芯片植球 ”模式熱聲倒裝鍵合上界面擴散層厚是下界面的 2 倍多， 通過對界面擴散數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，獲得了上、下界面超聲 能轉(zhuǎn)化的比率關(guān)系，即為：12 1() 2()11: ( / ) : ( / ) 1kN N D N=，且 試上界面(u)擴散層為金屬間化合物；針對鍵合層的擴散狀況，根據(jù)超聲能轉(zhuǎn)化的比率關(guān)系，提出并試驗了 “基板傳能 ”和 “基板植球 ”模式的熱聲倒裝鍵合，結(jié)果表明新模式倒裝可使二界面擴散層厚基本一致，且l 金屬間化合物減少一倍。 本論文的研究工作，為超聲鍵合裝備與工藝技術(shù)設(shè)計、鍵合過程實時監(jiān)測以及超聲鍵合過程物理規(guī)律 的技術(shù)實現(xiàn)提供理論參考， 期望對高密高性能微 /光電子封裝互連裝備技術(shù)的發(fā)展有所裨益。 關(guān)鍵詞 ：鍵合界面；微觀機理； 聲倒裝 中南大學(xué)博士學(xué)位論文 is in of is EM of is of in is of is of is by of of of of is of a is in to of an of is is as of at in C in of be is of on of at is at of 00of a or an is at of of by by in of an 南大學(xué)博士學(xué)位論文 in So . of of in of a of to of an of by of a of of a of it is of at is of an of of up to in C 12 1() 2()11: ( /):( /)kN N D N=, it be an is at To of a is in of of It is be to of of 南大學(xué)博士學(xué)位論文 目 錄 錄 摘 要 .一章 緒 論 .題的來源及研究目的 .聲鍵合的研究現(xiàn)狀 . 超聲引線鍵合機 理與規(guī)律研究現(xiàn)狀 . 熱聲倒 裝鍵合及研究現(xiàn)狀. .論文研究內(nèi)容 .二章 超聲鍵合界面快速形成機理 .聲振動激活金屬材料位錯的觀察 . 超聲能 激活金屬材料 晶格位錯. 15 頻超 聲振動加速度 與位錯. 子擴散體系的激活能及快速通道機制 . 原子擴 散體系的激活能. . 位錯管 道快速擴散形 成機制. 位錯 的滑移特性分析. .聲界面快速擴散通道機理 . 超聲鍵合界面快 速通道擴散機理. 時超聲功率特 性與擴散機理的相 關(guān)表征.聲鍵 合高速高可靠特性. .章小結(jié) .三章 擴散鍵合界面強度構(gòu)成與演變規(guī)律 .面原子擴散層厚與微結(jié)構(gòu)強度構(gòu)成 . 界面擴 散層厚的 試. . 界面的分離失效 特性與界面強度的 空間組成.聲鍵合過程多參數(shù)與鍵合界面微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律 . 微鍵合 點一焊與二焊特性. . 鍵合界面環(huán)帶結(jié) 構(gòu)與有限元仿真分析.面 微結(jié)構(gòu)演變特性. .聲鍵合系統(tǒng)阻抗 /功率特性 .南大學(xué)博士學(xué)位論文 目 錄 聲驅(qū) 動信號采集系統(tǒng). . 實時超聲阻抗 /功率的計算與分析. 合 過程的功率特性. . 高功率 過鍵合失效分析. .章小結(jié) .四章 熱聲倒裝界面規(guī)律與鍵合工具設(shè)計 .聲倒裝實驗平臺的搭建 .點芯片熱聲倒裝鍵合的實現(xiàn) .裝凸點的熱聲植球工藝探索 .裝界面、鍵合工具、工藝的協(xié)同 .章小結(jié) .五章 倒裝多界面超聲傳遞規(guī)律與新工藝 .裝二鍵合界面 性與界面擴散 .裝二界面性能分析與工藝新構(gòu)思 .板傳能與基板植球倒裝實現(xiàn)與傳能規(guī)律 . “基板 傳能”模式倒 裝工藝. “基板 植球”模式倒 裝工藝. 聲倒裝二界面?zhèn)髂芤?guī)律分析 . 二界面 傳能的量值差異. . 多界面運動傳遞 與能量轉(zhuǎn)化規(guī)律分析.聲倒裝鍵合過程多參數(shù)影響規(guī)律 . 超聲 功率的鍵合窗口. . 鍵合 時間的鍵合窗口. . 鍵合 壓力的鍵合窗口. .章小結(jié) .六章 全文總結(jié) .考文獻(xiàn) . 謝 .士期間發(fā)表的論文 .究項目與專利 .南大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒 論 1第一章 緒 論 題的來源及研究目的 為適應(yīng)我國微電子領(lǐng)域的發(fā)展，國家 973 項目、 863 項目、國家自然科學(xué)基金項目近年來先后啟動多種微電子技術(shù)的研究計劃。 本論文課題來源于此背景下中南大學(xué)機電工程學(xué)院微納制造與裝備中心承擔(dān)的 973 項目高性能電子產(chǎn)品設(shè)計制造精微化數(shù)字化新原理新方法“復(fù)合能場作用下微互連界面的微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律” (國家自然科學(xué)基金重大項目先進電子制造中的重要科學(xué)技術(shù)問題研究 “芯片封裝界面制造過程多參數(shù)影響規(guī)律與控制” (國家自然科學(xué)基金面上項目“芯片超聲倒裝多界面能量傳遞與強度結(jié)構(gòu)演變規(guī)律研究” (國家項目，通過對微電子封裝領(lǐng)域的核心技術(shù)互連鍵合的機理與技術(shù)的基礎(chǔ)研究， 研發(fā)互連封裝裝備技術(shù)與相應(yīng)的工藝，形成我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的微電子封裝新工藝、新技術(shù)、新裝備。 圖 1聲引線鍵合技術(shù) 圖 1裝鍵合技術(shù) 中南大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒 論 2微電子芯片封裝 “核心” 裝備是芯片內(nèi)引線與基板引腳的互連引線鍵合，通過鍵合界面的制造實現(xiàn)芯片與引出部件 I/O 端點的互連，將微觀電子行為轉(zhuǎn)為宏觀的器件功能，目前，引線鍵合 (如圖 1其靈活性、低成本等優(yōu)點占領(lǐng)著微電子封裝市場 90%1芯片倒裝鍵合 (如圖 1提高鍵合的可靠性和芯片的電性能，將是一種極具發(fā)展前景的技術(shù) 6 隨著高效率、高密度、高可靠性的集成電路器件的發(fā)展，深入進行引線鍵合和倒裝鍵合機理與技術(shù)的研究， 旨在探索超聲鍵合界面結(jié)構(gòu)形成機理與微結(jié)構(gòu)強度組成，運用固體物理、位錯 /擴散理論、超聲物理建立鍵合界面快速擴散形成的物理模型，分析熱聲倒裝鍵合過程多界面超聲運動 /能量的傳遞規(guī)律，檢測鍵合過程超聲輸入功率信號的變化規(guī)律及其機理對應(yīng)驗證， 探索熱聲倒裝多界面的能量傳遞 /轉(zhuǎn)化的特殊規(guī)律，為發(fā)展高密高性能熱聲鍵合封裝技術(shù)提供機理和模型依據(jù)。 聲鍵合的研究現(xiàn)狀 微電子器件的組裝必須經(jīng)過若干層次的封裝 9,10。如圖 1先要在半導(dǎo)體 片上進行選擇擴散和布線，這是 0 級封裝。其次，將半導(dǎo)體 品封裝好，類似于安裝在電路基板上，這是 1 級封裝，再次，將半導(dǎo)體 括各種無源元件在內(nèi)的電子元件安裝在以印刷電路板為主的電子基板上，這是 2 級封裝，將組裝好的基板安裝在機器中就組成了系統(tǒng)11,12。 圖 1統(tǒng)的封裝層次結(jié)構(gòu) 中南大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒 論 3半導(dǎo)體封裝主要包括封裝的外部形式以及內(nèi)部的連接方式。其中，芯片電極和外部管腳以及芯片之間的連接起著確立芯片和外部電氣連接、 確保芯片和外界之間的輸入輸出暢通的重要作用，是整個后段封裝過程的關(guān)鍵 13。因此內(nèi)部互連方式的發(fā)展將直接影響著整個半導(dǎo)體封裝業(yè)的動向。 芯片封裝的互連方式主要包括引線鍵合、倒裝芯片和載帶自動焊。目前， 90%以上的芯片采用引線鍵合技術(shù) 5，倒裝芯片其互連的輸入輸出 (I/O)密度高，更適應(yīng)于高密度布線芯片的需要。載帶自動焊主要應(yīng)用于薄而輕的專用電子產(chǎn)品上 14。 隨著微電子芯片的集成度以每隔 3 年翻兩番 (增加 4 倍 )，線寬尺寸縮小 1/3的速度發(fā)展 15。與之相應(yīng)，芯片封裝的引線間距和焊球直徑同幅減小，引線密度急劇增加， 封裝速度加快， 單引腳封裝成本降低， 迫使芯片封裝技術(shù)不斷突破、不斷創(chuàng)造新的技術(shù)極限。 預(yù)計到 2010 年封裝的技術(shù)指標(biāo)將進入一個新平臺 (見表115。 表 1預(yù)測 2010 年芯片封裝的技術(shù)指標(biāo)水平 15 目前 2010 特征線寬(m) 片間距(m) 45 30 焊球直徑(m) 40 25 定位精度(m) 2 5 1 倒裝芯片 I/O 數(shù)(個) 2500 3000 10000 引線鍵合速度(線/秒) 15 20 鍵合時間(15 10 能量密度(J/ 03芯片倒裝互連技術(shù)是在芯片焊盤上作凸點， 然后將芯片倒扣于基板進行凸點與基板間的連接，凸點連接比引線鍵合連線短，傳輸速度高，其可靠性提高 3050 倍 16,17，芯片倒裝將是主要互連形式。當(dāng)前的回流焊倒裝可靠性比較高，而且凸點數(shù)量多，采用 b 焊料，對環(huán)境及人體的健康不利，且回流焊凸點通過刻蝕形成，工藝復(fù)雜，成本高，回流焊凸點的電阻率達(dá) 22 微歐 /，熱超聲鍵合凸點的電阻率只有 歐 /18 熱超聲倒裝 (圖 1藝簡單，可靠性好，并且是一種無鉛的綠色焊接，成本低，是當(dāng)前芯片封裝領(lǐng)域中極具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N新型工藝。智能卡封裝、通信領(lǐng)域中的 件、手機芯片、發(fā)光二極管 (等微電子 /光電子器件的封裝已開始使用熱聲倒裝鍵合技術(shù)，特別是 為新一代照明光源，倒裝結(jié)構(gòu) 之傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu) (圖 1可將 光效提高 70%，熱阻低140/W，是常規(guī)的 1/1021且 點的電阻只有回流焊凸點的 1/1029，高功率高亮度 聲倒裝具有獨特優(yōu)勢和前景。 中南大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒 論 4圖 1聲倒裝的工藝流程 圖 1裝與倒裝結(jié)構(gòu) 光比較 面對下一代芯片封裝技術(shù)指標(biāo)，作為封裝的核心裝備超聲互連鍵合技術(shù)，有待進一步的突破發(fā)展。 超聲互連鍵合是有別于傳統(tǒng)機械制造的新的制造概念， 熱超聲封裝技術(shù)的發(fā)展需要融合機械學(xué)、材料學(xué)、表面物理化學(xué)等眾多相關(guān)學(xué)科，在深層次發(fā)掘制造規(guī)律，促進制造科學(xué)這一新分支的發(fā)展。 超聲鍵合是一種復(fù)雜的物理和力學(xué)行為，在微米和毫秒時空中形成界面鍵合，有眾多的研究者對其超聲鍵合機理從不同的學(xué)科方向進行過研究，獲得了一些重要的結(jié)論和數(shù)據(jù)，但超聲鍵合機理還有許多問題未能闡明，特別是熱聲倒裝多界面規(guī)律的研究尚十分久缺，主要體現(xiàn)在： 1) 超聲能作用下的鍵合區(qū)微結(jié)構(gòu)生成機理不十分 清楚，缺乏深入的微觀測試和真實的物理模型表征。 2) 超聲能在鍵合過程中功率 /振動運動的實時傳遞與轉(zhuǎn)化特征缺乏深入的闡述。 3) 超聲能、超聲振動在熱聲倒裝多界面的傳遞與 轉(zhuǎn)化規(guī)律，高分辨定量測試分析，以及定量的能量轉(zhuǎn)化模型尚未形成。 由于這些問題缺乏基于物理機理的實驗研究， 已有的超聲鍵合機理與規(guī)律多由宏觀分析所得，難以為發(fā)展更完善的鍵合技術(shù)提供認(rèn)識基礎(chǔ)和創(chuàng)新思路。本研究針對宏觀能量測試和微結(jié)構(gòu)生成的微觀測試， 設(shè)計實驗， 發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象， 探索本質(zhì)，結(jié)合超聲物理、材料學(xué)、位錯理論、擴散規(guī)律等的研究成果揭示超聲鍵合的內(nèi)在規(guī)律。 中南大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒 論 聲引線鍵合機理與規(guī)律研究現(xiàn)狀 引線鍵合 (寫為 金屬引線的兩端分別與芯片和管腳鍵合而形成電氣連接 (見圖 1 引線鍵合 (圖 1引線鍵合工藝示意圖 )從最初應(yīng)用到現(xiàn)在已經(jīng)有幾十年的歷史，是最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的芯片封裝連接方式 30。引線鍵合根據(jù)其鍵合特點分為超聲鍵合、熱壓鍵合和熱超聲鍵合，幾種鍵合方式各有特點，這也有各自適用的產(chǎn)品。 圖 1線鍵合 圖 1形劈刀 (中 )和楔形劈刀 (右 ) 熱壓鍵合，這是最早用于內(nèi)引線鍵合的方法。熱壓鍵合是通過壓力與加熱，使接頭區(qū)產(chǎn)生典型的塑性變形。 熱量與壓力通過毛細(xì)管形或楔形加熱工具直接或間接地以靜載或脈沖方式施加到鍵合區(qū)， 鍵合時承受壓力的部位， 在一定的時間、壓力和溫度的周期中，接觸的表面就會發(fā)生塑性變形 (擴散。該方法要求鍵合金屬表面和鍵合環(huán)境的潔凈度十分高。而且只有使用金絲才能保證鍵合可靠性，但對于 焊點處又極易形成導(dǎo)致焊點機械強度減弱的 “紫斑 ”缺陷 31有一定的局限性，一般用為玻璃板上芯片 超聲鍵合，利用超聲波的能量，使金屬絲與鋁電極在常溫下直接鍵合。由于鍵合工具頭呈楔形，故又稱楔壓焊。其原理是:利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻驅(qū)動電壓/電流，通過壓電換能器轉(zhuǎn)換為機械能超聲振動，經(jīng)變幅桿傳遞至鍵合劈刀，同時在劈刀上施加一定的壓力，使 而形成焊接。主要焊接材料為鋁 (線焊頭一般為楔形。超聲鍵合適應(yīng)性較好，超聲能對材料具有清潔作用，其外界環(huán)境要求不高，應(yīng)用范圍廣泛 36 熱超聲鍵合，采用加熱加壓加超聲的方式實現(xiàn)封裝互連，其鍵合過程：在劈刀尖端用高壓電火花使金屬絲形成球形，然后將金屬球焊在 片上，稱為球中南大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒 論 6焊，再將金屬絲引線致基板上楔焊，故又稱球楔鍵合。球焊在引線鍵合中是最具代表性的焊接技術(shù)，現(xiàn)在的半導(dǎo)體二、三極管封裝、 裝都采用 球焊。 由于通過加超聲可降低熱壓溫度， 提高了引線鍵合效率和可靠性， 強適應(yīng)性，目前仍被廣泛采用。熱超聲鍵合已逐步取代了熱壓鍵合 39。如動態(tài)隨機存取存儲器 (片和大多數(shù)商業(yè)芯片一直都采用超聲引線鍵合技術(shù) 40。 超聲鍵合技術(shù)是 50 年前德國人在實驗室研究電流焊接時加超聲進行界面清潔，在電流焊接突然無電流情況下，金屬板仍然對焊上了，由此發(fā)明了超聲金屬焊接技術(shù)，最初，超聲鍵合引入電子封裝的微引線互連技術(shù)，其機理也不清楚，很多文獻(xiàn)致力于鍵合機理研究，包括如下幾個方面： a) 摩擦熱鍵合。直觀地認(rèn)為截面超聲振 動摩擦導(dǎo)致急劇溫升形成熱鍵合41,42。 定在最佳條件下引線和基板間無相對運動 43,44，試驗測定鍵合界面溫升 70C 80C45,46， 超聲鍵合中這樣的溫度太低不能形成熱熔化焊接，證明摩擦鍵合的觀點是不合理的。 b) 超聲軟化。 超聲能作用下， 楊氏模量減少 47, 高頻超聲效應(yīng)下， a、 材料都發(fā)生金屬軟化作用 48但軟化機理在物理上還不十分清楚 51。 c) 振動。通過激光干涉儀測量高頻運動，研究振 動與能量的傳遞，功率、力、時間與振動運動的關(guān)系， 超聲鍵合的振動振幅控制在 40 20052 d) 鍵合區(qū)界面特性。在掃描電子顯微鏡下，可觀 察焊接區(qū)形貌，鍵合區(qū)像一個中央未鍵合的橢圓，通過對鍵合過程的力 學(xué)分析，認(rèn)為鍵合區(qū)的這種界面特性是超聲動態(tài)應(yīng)力和靜壓應(yīng)力共同作用的結(jié)果 56 自上世紀(jì) 60 年代以來，引線鍵合技術(shù)一直在不斷的發(fā)展。 G，W 等人于 70 年代曾詳細(xì)研究過超聲焊接技術(shù) 59 1978 年， 版了在超聲焊接方面研究的新發(fā)現(xiàn) 62，至今仍是超聲波焊接的指導(dǎo)性文件。簡單總結(jié)他們的理論是 63 a) 焊接中的發(fā)熱對焊點的形成不起重要的作用； b) 超聲使金屬變軟的效率極高； c) 焊絲變軟是焊接過程中的關(guān)鍵因素； d) 超聲焊接點周邊結(jié)合強度大于中央強度。 作為鍵合機核心部件超聲振動系統(tǒng)， 在超聲鍵合設(shè)備中擔(dān)負(fù)著實現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生高頻超聲振動。國內(nèi)外開展了較廣泛的研究，如超聲波的頻率，振動軌跡，振幅的大小等與焊接性能的關(guān) 系，普通超聲焊的頻率為 27406,67，而在電子元件的超聲波焊接中，常用超聲波的頻率為 60在向更高頻率的超聲技術(shù)發(fā)展，日本 學(xué) 人正研究中南大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒 論 7330焊接特性 68甚至有的達(dá)到了 9803。頻率提高，振幅減小，有利于減小焊點直徑，低頻時，易于產(chǎn)生和控制高能量級。超聲焊接系統(tǒng)的不斷改進， 使引線鍵合焊點直徑由 100 多微米以上減小到目前的 45 微米。 人還在探索了多維超聲鍵合技術(shù) 74,75， 研究雙向或多向超聲波作用方向和耦合作用軌跡對焊接結(jié)合面強度和焊接性能的影響。 改變超聲振動軌跡能提高焊接時間與質(zhì)量 76,77，超聲波的振動軌跡有線性的，橢圓或圓、矩形或正方形三種，實驗表明復(fù)雜振動 (即橢圓或矩形 )在更短的時間和更小的振幅也能焊接成功，并且多維同時傳輸超聲能量的界面焊接強度比單向的要大得多，結(jié)點的質(zhì)量更高，多維傳能焊具存在非線性問題尚未得到有效的解決。 本課題組王福亮 78人研究熱聲鍵合工藝參數(shù) 對鍵合強度的影響，獲得了一些重要的結(jié)論，如超聲功率的影響規(guī)律 (圖 1 a)過小的超聲功率不能為鍵合強度的形成提供足夠的能量，而導(dǎo)致欠鍵合，表現(xiàn)為鍵合強度較小，在拉絲成拱過程中形成無連接和剝離； b)過大的超聲功率一方面會破壞已經(jīng)形成的鍵合區(qū)域?qū)е骆I合強度下降，造成過鍵合，同樣形成無連接和剝離的結(jié)果；其次使鍵合區(qū)域變形嚴(yán)重產(chǎn)生明顯的裂縫， 形成根斷現(xiàn)象； c)在合適的超聲功率區(qū)間內(nèi)，平均鍵合強度較大且可靠性達(dá) 100%，即圖中的超聲功率為 分。 圖 1聲功率與鍵合強度關(guān)系 在引線鍵合中，壓力的控制對鍵合的成功是至關(guān)重要的，特別由于芯片集成度進一步提高，引線直徑進一步減小，引線的振動和生產(chǎn)速度的加塊，不但會產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，導(dǎo)致零件的損壞 81，而且強度較低，易造成提前斷線 82，在引線鍵合中，溫度的選取也是一個因素，由于溫度不僅影響引線接觸過程中的粘塑性，而且影響原子擴散過程中新相的形成，溫度對鍵合過程中的孔洞消失和新相產(chǎn)生的影響機理尚在研究中， 特別是溫度對鍵合后鍵合界面產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的影響，嚴(yán)重制約著芯片的使用壽命和可靠性，一般現(xiàn)代超聲鍵合溫度在100 之間 83本課題組隆志力 86人研究了鍵合溫度對鍵合中南大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒 論 8強度的影響規(guī)律 (圖 1鍵合強度對溫度依賴性較大，在低溫和高溫條件下，鍵合強度明顯較低； 只有在合適鍵合溫度范圍內(nèi)才可以獲得較高的鍵合強度和可靠性，即存在一個鍵合溫度的最佳區(qū)間。溫度過高將會影響到材料本身，相反則有可能無法保證鍵合質(zhì)量，出于對芯片材料及鍵合設(shè)備的保護，目前的芯片封裝技術(shù)正向低溫或室溫條件發(fā)展。 圖 1絲球熱超聲引線鍵合實驗剪切強度分布 對鍵合過程工藝參數(shù)的鍵合窗口的研究， 反應(yīng)了鍵合點的宏觀認(rèn)識和多參數(shù)的匹配關(guān)系。鍵合參數(shù)的匹配相當(dāng)重要，因為鍵合參數(shù)直接影響到芯片與基板的連接強度及整個系統(tǒng)的能量傳遞。對于熱超聲鍵合工藝，影響金球與基板的連接強度的因素多種多樣，除了超聲、溫度以及壓力之外，燒球質(zhì)量、劈刀質(zhì)量、金絲線的拱度、手動操作時的平穩(wěn)性、以及運動機構(gòu)的穩(wěn)定性等因素都直接影響到鍵合的連接效果。 在熱超聲鍵合工藝中， 芯片金球凸點與基板鍵合過程的研究是提高芯片互連質(zhì)量、優(yōu)化鍵合參數(shù)匹配、以及充分利用能量的基礎(chǔ)。當(dāng)前，對金球凸點與基板鍵合過程的研究方法不拘一格，各有特色。 S. 人 90,91利用掃描電鏡 ( 譜方法分析鍵合界面表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)，以查明鍵合界面材料變化過程。 M. 人 92,93采用溫度循環(huán)方法觀測鍵合之后的芯片凸點的熱匹配，以此分析鍵合質(zhì)量及界面的可靠性。 o 等人 94別設(shè)計了一種特種熱電偶溫度傳感器，并將這種傳感器嵌入到芯片，從而獲得鍵合過程實時溫度的變化規(guī)律。 人97制作了一種試驗芯片，這種芯片集成了溫度傳感器和壓力傳感器，可以同時檢測鍵合過程溫度和壓力的變化。 C. W. 人 98換能器中嵌入一種壓電傳感器而構(gòu)成 “智能換能器 ”，通過壓電傳感信號分析系統(tǒng)的超聲能量傳遞特性以及金球與基板的鍵合過程。 采用傳感器方法可以實時在線地獲得鍵合過程發(fā)生變化的豐富信息，然而這些微傳感器的設(shè)計、制作以及安中南大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒 論 9裝都遇到很多困難。通過采集鍵合周期內(nèi) 能器的驅(qū)動電壓和電流信號，并以 能器阻抗和功率為分析手段，分析鍵合過程金球凸點和基板結(jié)合的動態(tài)變化以及鍵合效果，將是一種實用可靠的反映鍵合過程能量傳遞的研究思路。 縱觀國內(nèi)外引線鍵合的研究狀況可知， 超聲鍵合界面機理研究未觸及高分辨的微觀測試手段，未深入微觀層次探索超聲鍵合的物理本質(zhì)，瞬間超聲能量密度的傳遞 /轉(zhuǎn)換與超聲鍵合界面的快速形成機理問題還有待闡明，鍵合內(nèi)在機理與規(guī)律是未來芯片封裝突破必須回答的重要科學(xué)問題。 聲倒裝鍵合及研究現(xiàn)狀 倒裝芯片鍵合 (縮寫為 (芯片表面預(yù)先放置焊球，翻轉(zhuǎn)后面對面和封裝焊接在一起 (見圖 1 倒裝芯片代表著封裝輸入 /輸出數(shù)目不斷增加，內(nèi)部連接性能要求越來越高的形勢下，電氣連