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(机械电子工程专业论文)存储卡类产品的封装设计、工艺规划及质量控制方法.pdf.pdf 免费下载
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:;、;f 秘r 蜘砂,rj。 p搬擎号,-ml拳r 摘要 存储卡类产品的封装设计、工艺规划及质量控制方法 研究生: 指导老师: 学校: 郑建勇 史金飞教授 张志胜教授 东南大学 摘要 存储卡类产品作为手机、数码相机、m p 3 m p 4 、p d a 等便携式电子产品的主要存储器件,其对更 轻、更薄、更小、更高可靠性、更低功耗的不断追求,使得对存储专类产品封装质量的要求也越来 越高。存储卡类产品质量的生命周期是由市场调研、产品开发、封装设计、工艺流程的制定和优化、 生产技术准备、制造过程、质量检验、销售、服务及使用等多个过程构成。从企业的角度来看,存 储卡类产品早期封装的研发设计过程是实现产品封装质量和可靠性的前提条件;而对于产品封装制 造过程而言,只有生产的工序质量和相应的封装设备满足了制造要求,才能实现产品开发与设计所 设定的质量目标,也才能生产出满足用户期望的优质产品。论文主要研究存储卡类产品在采用c o b 技术( c h i po nb o a r d ,板上芯片封装) 进行芯片堆叠封装过程中所涉及的质量控制问题,基于“全 面质量控制”的思想,围绕存储卡类产品封装的结构设计和上艺流程的优化、关键封装工序的质量 控制以及封装设备中精密定位平台的关键技术等方面,进行了封装质量控制的相关研究,主要的内 容包括以下几个方面: ( 1 ) 从提高存储譬类产品存储容量的角度,针对二种芯片堆叠方案中芯片间的焊垫位置、布线 密度及芯片间距等方面,进行了封装堆叠方案的缺陷分析,提出了一种采川转接芯片实现焊垫位置 转移的优化方法,并从实际应用的角度,制定了转接芯片尺寸的设计原则。 ( 2 ) 以一种具有三层芯片堆叠结构的m i c r os d 卡产品为对象,分析了该类产品住芯片堆叠封 装方案上可能存在的一些结构和工艺方面的问题,并对该类m i c r os d 矗产品的堆叠封装结构进行了 改进;应用有限元方法对比分析了m i c r os d 卡封装结构改进前后的封装体内的热虑力分布情况,以 及封装体可能存在的失效形式;结合热一应力耦合分析的结果,提出了存储 类产品进行芯片堆叠封 装的设计原则。 ( 3 ) 以一种具有四层芯片堆叠结构的m i c r os d 卡产品为研究对象,提出了一种适合于该类产 品封装工艺流程优化的多工序质量预测模型,并以该模型为判定依据,减少了芯片堆叠封装一i :艺流 程中关键工序的可重入次数,进而优化了m i c r os d 卡的封装j :艺流程;以州化工艺为例,应川有限 元方法分析了固化- t 艺的起始阶段( 加热1 m 后) ,在芯片堆番封装体内的温度及热应力的分布情况, 以此预测了同化工艺起始阶段可能产生的热火效形式,并验证了质量预测模型在t 艺流程优化中的 可行性。 东南大学博上学位论文 ( 4 ) 从控制引线键合设备( 劈刀) 运动轨迹的方面入手,提出了一种在芯片堆叠封装中,可有 效降低底层芯片与基板间互连高度的m 形正向打线工艺的形成方法:应用有限元方法分析了直径为 2 5um 的金线在引线键合结束后,进行b p t ( b o n dp u l lt e s t ) 试验的应力分布情况,以此预测该金 线在受拉情况下的失效形式,并验证m 形低弧打线方式的可操作性。 ( 5 ) 设计了基于一种二自由度并联解耦机构的x y 向精密定位平台( t 型和i i 型) ,该平台可 有效改善传统封装设备中精密定位平台在运动性能方面的不足;从机构运动副分析的角度,提出了 平动解耦的构型思想,分析了二自由度并联解耦机构的构型原理;建立了i i 型x y 向定位平台的空间 模型,将多维的平台机构中的杆件尺寸空间转化为三维的无量纲杆件尺寸空间,并用x y 坐标实现 了空间坐标的转换,为平台实际尺寸的设计提供了依据。 ( 6 ) 采用多变异分析方法,对从晶圆减薄工序后采集的圆片样本数据进行分析,验证了位置间 的变异是晶圆减薄丁序中的主要变异来源;以晶圆减薄工序为例,进行了封装工序质量分析与管理 系统的开发,指出了系统设计的主要内容以及系统功能实现的关键技术。 关键词:存储卡类产品;堆叠封装;封装设计;工序质量控制;精密定位技术 p a c k a g i n gd e s i g n ,r c h n o l o g yp r o c e s sp l a n n i n ga n dm e t h o d so f q u a l i t yc o n t r o lf o rt h e n d so fm e m o r y c a r d sp r o d u c t s b yj i a n y o n gz h e n g s u p e r v i db yp m f - j i n f e is h la n dp r o z h i s h e n gz h a n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t m e m o r ) rc a r d sp r o d u c t sh a v eb e e np l a y i n g 卸i m p o r t a n tm l ea st h em a i nd a t as t o r a g ed e v i c e so f m o b i l ep h o n e s ,d i g i t a lc a m e r a s ,m p 3 m p 4 ,p d aa n do t h e rp o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t s t l h eu n c e a s i n g p u r s u i tf o ri t sp r o p e n i e so fl i g h t e r t h i 曲e r ,s m a u e r ,h i g h e rr e l i a b i l i t y ,l o w e rp o w e ra n ds oo n ,w h i c hh a s p r o m o t e dt h eu n i n t e l l l p t t e dd e v e l o p r n e n to ft h ep a c k a g i n gt e c h n o l o g i e sf o r t h em e m o r ) rc a r dp f o d u c t s 0 n t h eo t h e rh a n d ,丽t ht h ep a c k a g i n gc o s t si nt h ew h o l em e m o r ) ,c a r di nt h ep r o p o n i o no fp r o d u c tv a l 鹏 i n c r c a s e s 伊a d u a u y ,i t a l s o9 a u st h eq u a l i t yr e q u i r e m e n to ft h em e m o 巧c a r dp r o d u c t st ob eg e t t i n gh i g h c r 明dh i g h e r f 幻mt h ep a n so ft h em e m o r ) ,c a r dp r o d u c t s i i l d u s t r i a lc h a i n ,i t se n t i t yq u a l i t i e sa m a i n l y f 而mm a n yp r o c e s s e sf b 珊s ,s u c ha sm a r k e ti n v e s t i g a t i o n ,p r o d u c tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ,p a c k a g e d e s i g n , t e c l l l l i c a l p m c e s sp l a 皿i n p r o d u c t i o nt e c l l i l o l o g y sp r e p a r a “o n ,p r o c e s s o fm a n u f 她t u r e , p e 怕珊a n c e st e s t ,s a l e ,s e i c e ,u s ea n ds oo n f r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h ee n t e 巾“s e s ,t h ee a r l i e s tr e s e a r c h a n dd e s i g np f o c e s so ft h em e m o r ) rc a r dp r o d u c t s p a c k a g i n gi st h ep r e r e q u i s i t eo fr e a l i z i n gt h ep r o d u c t s q u a l i t ya n dr e l i a b i l i t y i i lo t h e rw o r d s ,f r o mt h ea n 舀eo ft h ep f o d u c t s p a c k a g i n gp r o c e s so fm a n u f a c t u r e , o n l yi ft h ep r o c e s sq u a l i t yi st 0m e e tt h em a n u f a c t u r er e q u i r e m e n t si na d v a n c e ,i ta l s oc a na c h i e v et h e q u a l i t y so b j e c tw h i c hh a db e e ns e ti nt h ep r o d u c t sr e s e a r c ha n dd e s i g n ,f h n h e m o r e ,i ta l s oc a np m d u c e t h eh i g h - q u a l i t yp r o d u c t st h a tm e e tt h eu s e r se x p e c t a t i o n b a s e do nt h e “7 1 1 0 t a lq u a l i t yc o n t r o l ,i d e a s ,t h i s d i s s e r t a t i o nw i l lm a i n l ya i m sa tt h eq u a l i t yc o n t m lq u e s t i o n so ft h em e m o r yc a r dp r o d u c t si nc o b ( c h i po n b o a r d ) p a c k a g i n g sp r o c e s s ,f o re x a m p l e ,t h er a t i o n a l “ya n dr e l i a b i l i t yo ft h em e m o r yc a r dp r o d u c t s p a c k a g i n gs t n i c t u r ed e s i g n ,t h ep a c k a g i n gt e c h n o l o g yp r o c e s s so p t i m i z a t i o n ,t h eq u a l i t i e s c o n n d lo ft h e k e ym a n u f a c l u r i n gp r o c e s sa n dt h ek e yt e c h n o l o g i e s s t u d yo ft h ep a c k a g i n ge q u i p m e n t sp r e c i s i o n p o s i t i o n i n gp l a t f o n l le t c t h em a i n l ys t u d i e s c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s : ( 1 ) f 向me n l a 喀i n gt h em e m o r yc a f dp m d u c t s s t o r a g ec a p a c i t i e s ,i th a sb e e na n a l y z e dt h ed e f e c t so f t h r e ec h i p s t a c k e dp a c k a g es c h e l n e si nt h ew e l dp o s i t i o n s ,w i “n gp u t t i n gd e n s i t i e sa n dd i s t a n c e sb e t w e e n t h ec h i p s i no r d e rt oi m p r o v et h ep a c k a g es t m c t u r eo ft h em e m o r yc a r dp r o d u c t si i lt h em e t h o do f c h i p s t a c k e d ,o n ek i n do fo p t i m i z e dm e t h o dt h a ti e a l i z e dt ot r a n s f e rt h ew e l d sl o c a t i o n si sp r o p o s e d a n di t a l s op r e s e n t sar e f e r e n c ep r i n c i p l ef o rt h ea d a p t e rc h i p sd e s i g nf r o mt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o na n g l e ( 2 ) o n ek i n do fm i c r os dp r o d u c t sw i t ht h r c ec h i p ss t a c k e ds t m c t u r ea r es e l e c t e da st h es t u d yo b j e c t t h er e a s o nt h a tc a u s e sm e m o r yc a r dp r o d u c t s t h e 加a ls t r e s sf a i l u r ei nc h i p ss t a c k e dp a c k a g i n g sp r o c e s s , i i i 东南人学博士学位论文 w h i c hh a sb e e n 柚a l y z e di nt h i ss e c t i o n ,a n di ta l s oh a sp r e s e n t e da ni m p r o v e m e n ts c h e m eo fc h i p ss t a c k e d p a c k a g e t h es o 细挑a n s y s l l oh a sb e e na p p l i e dt oa n a l y 笳l h et l l e 珊a la n dt h e 珊a l s t r e s so fm i c r os d c a r d sp a c k a g i n gs t m c t i l r ei ni m p r o v e m e n ta n du n i m p r o v e d ,t h es e p a r a t e l ys i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eb e e n c a 仃i e do nt h ec o n t r a s t n l ep a c k a g i n gd e s i g np r i n c i p l e si i lc h i p - s t a c k e dm e t h o dh a v ea l s ob e e n p r o p o s e d ( 3 ) o n el 【i n do f 咖l t i - w o 埘n gp r o c e d u r eq u a l i t yf o r e c a s tm o d e li si n 们d u c e di nt h ep a p e r ,w h i c hi s 蛐i t e df o rt h eo p t i m i z i t i o ni i lm i c r 0s dc a f d sp r o d u c tp a c k a g ep r o c e s s f b u t h e 册o r e ,i no r d e rt oo p t i m i z e h i sm j c ms dc a r dp a c k a g cp r o c e s s ,t h er e - e n t 巧t i m e so ft h es o l i d i f i c a t i o nc e c h n o l o g ya r er e d u c e do nb a s e o ft h i sq u a l i t yf o r e c a s tm o d e l1 m ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ca n s y s l l 0i sa l s oa d o p t e dt os i m u l a t et h e t e m p c m t u r ef i e l da n dt h es t r e s sf i e l dd i s t r i b u t e dc a s e s0 ft h em i c r os dc a f d sp a c k a g i n gs t r u c t u r e ,w h i c h a 陀i nt h ec o n d i t i o nt h a tt h eh e a t i n gl o a d sa f ee x e c u t e di ns o l i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g ys t a g ew i t ho n em i n u t e n es i 咖l a t e d 陀s u l t sc a np r e d i c tt h em i c r 0s dc a r d ,st h e 眦a lf a i l u r em o d e s ,锄da l s oc 姐v e r i f ) rt h e f e a s i b l l i t yo ft h et e c h n o l o g yp r o c e s s si m p r 0 v e m e n t sw i t ht h i sq u a l i t yf o r e c a s tm o d e l ( 4 ) l nv i c 、) l ,o ft h em o v e m e n tt r a j e c t o r ) ,a s p e c to ft h ec o n t f o ll e a dw i r e - b o n d i n ge q u i p m e n t ( c h o p p e r ) , o 鹏d 疵c tms h a p ew 沁- b o n d i n gf o 咖a t i o nm e t h o di l l c h i p - s t a c k e dp a c k a g i n gi sp r e s e n t e d ,w h i c hc 柚 e 低c t i v e l y 舱d u c ct h eh e i g l l tb e 押e e nt h ef i r s tn o o rc h i pa n dt l l es u b s t r a t e n ef i n i t ee l e m e n ts o 腑a r c a n s y s l l 0i sa d o p t e dt oa n a l y z et h ed i a m e t e r2 5 肛mg o l dt h r e a d ss t f e s sd i s t r i b u t i o nc a s ei nb p t ( b o n d p u j jt e s t ) e x p e r i m e n t ,w h i c hc a nf o r e c a s tl b eg o l dl h f e a d ,sf a i l u r em o d ei nt 1 1 ec o n d i t i o no fb e i n gp u l l e d , a n di u n h e rv e r i f yt h ef c a s i b i l i t yo ft h em s h a p ed i r e c tw i r e b o n d i n gi nc h i p s t a c k e dp a c k a g i n g ( 5 ) 1 1 ) l ,os t y l e sx yd i r e c t i o np r e c i s ep o i s o n i n gp l a t f 0 胁s ( it y p ea n di it y p e ) h a v eb e e nd e s i g n e di nt h e p a p e f w h i c hc o n f i g u r a t i o nm o d ei sb a s e do no n ek i n do ft w 0d e g r e e - 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p a c k a g e ;p a c k a g i n gd e s i g n ;p r o c e s sq u a i i l yc o n t r o l ;p r e c i p o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y i v 目录 目录 j 商要i a b s t r a c r i l l 目录1 0 r 第一章绪论1 1 1 研究的背景和意义1 1 2 存储膏类产品封装技术的发展现状2 1 3 存储卡类产品封装质量的相关影响因素3 1 3 13 d 封装技术及其关键- t 艺3 1 3 2 工序质量控制的研究现状8 1 3 3 质量管理的发展概况9 1 3 4 封装设备精密定位平台的研究1 1 1 4 论文的研究内容和结构安排1 3 第二章存储卡类产品封装的结构分析与优化方法。1 6 2 1 集成电路封装设计的主要内容1 6 2 1 1 封装的电学设计:1 6 2 1 2 封装的热学设计1 7 2 1 3 封装的结构设计1 8 2 1 4 多质量目标的稳健设计准则2 0 2 2 存储卡类产品芯片堆叠方案的设计与分析2 2 2 2 1 存储卡类产品封装的结构分析2 2 2 2 2 芯片堆叠的方案设计与缺陷分析。2 4 2 3 存储卡类产品芯片堆叠封装结构的优化2 6 2 3 1 两种典型的芯片堆叠结构2 6 2 3 2 芯片堆叠方案的优化方法2 7 2 4 转接芯片尺寸的设计原则3 0 2 5 本章小结3 2 第三章存储卡类产品堆叠封装结构的热应力分析3 4 3 1 封装体热应力分析的理论及方法3 4 3 1 1 热应力分析的相关理论3 4 3 1 2 有限元分析方法3 8 3 2m i c r os d 封装结构的分析与改进3 9 3 2 1m i c r os d 三层堆叠封装的结构分析。3 9 v 东南大学博士学位论文 3 2 2m i c r os d 封装结构的优化设计4 1 3 3m i c ms d 多层芯片堆叠结构的热应力分析4 3 3 3 1m i c r 0s d 分析模型的建立4 3 3 3 2 塑封工艺的成型技术。4 4 3 3 3 塑封体热分析的数学模型4 4 3 3 4 塑封体热分析的具体过程。4 5 3 3 5 塑封体的热应力分析4 9 3 4 多芯片堆叠封装的设计原则5 1 3 5 本章小结5 2 第四章存储譬类产品堆叠封装工艺流程的优化方法5 3 4 1 封装工艺流程的多工序质量预测模型5 3 4 2 封装工艺流程的优化过程5 5 4 2 1 单颗闪存芯片封装的基本工艺5 5 4 2 2 四层芯片堆叠封装的工艺流程5 6 4 2 3 封装工艺流程中的关键t 序。5 7 4 2 4 封装工艺流程的改进方案6 l 4 2 5 多工序质量预测模型的判定分析6 1 4 3 封装_ l j 艺流程优化效果的验证6 2 4 3 1 固化工艺的性能要求。6 2 4 3 2 建立封装体的有限元模型一6 2 4 3 3 封装体结构的热分析过程6 3 4 3 4 封装体结构的热应力分析6 7 4 4 本章小结6 8 第五章低弧引线工艺的形成方法与强度试验模拟分析。6 9 5 1 引线键合的:l 艺流程6 9 5 1 1 球形引线键合6 9 5 1 2 楔形引线键合7 0 5 1 3 引线键合的火效形式。7 0 5 2 引线键合的打线方式7 1 5 2 1 正向键合7 1 5 2 2 反向键合。7 2 5 3 低弧引线一l :艺的形成方法7 2 5 3 1m 形正向低弧引线r :艺7 2 5 3 2 止向拉弧的成型过程7 3 5 4m 形低弧键合引线的强度分析7 4 目录 5 4 1m 形线弧的有限元模型7 4 5 4 2m 形线弧的约束和载荷7 5 5 4 3m 形线弧的静力学分析。7 8 5 5 本章小结8 0 第六章封装设备中精密定位平台的关键技术研究8 2 6 1x y 向定位平台的机构构型方法研究8 2 6 1 1 平动解耦的构型方法8 2 6 1 2 二自由度并联解耦机构的构型分析。8 3 6 1 3 二自由度并联解耦机构的自由度分析8 4 6 2x y 向定位平台的结构设计8 5 6 2 1i 型x y 向定位平台的总体架构。8 6 6 2 2 型x y 向定位平台的总体架构。8 6 6 2 3x y 向定位平台的实施方式8 8 6 3i i 型定位平台空间模型的建立:8 9 6 3 1 二自由度并联解耦机构的参数简化。8 9 6 3 2 型定位平台的空间模型9 0 6 4 本章小结_ 9 1 第七章关键封装工序的质量分析与管理系统的开发。9 2 7 1 工序质量控制与过程能力指数。9 2 7 1 1 工序质量控制。9 2 7 1 2 过程能力指数9 3 7 2 晶圆减薄_ t 序的质量分析方法9 4 7 2 1 多变异分析的统计模型9 5 7 2 2 晶圆检验抽样方案的制定9 6 7 2 3 晶圆减薄工序质量的多变异分析实例9 7 7 3 封装工序质量管理系统的开发9 9 7 3 1 存储卡类产品的多i :序封装i :艺流程1 0 0 7 3 2 系统的总体架构设计1 0 1 7 3 3 系统的功能实现1 0 3 7 4 本章小结1 0 7 第八章总结与展望1 0 8 8 1 全文总结1 0 8 8 2 研究展望。1 0 9 8 2 1 芯片减薄技术和芯片互连技术的研究1 0 9 8 2 2m 形低弧引线丁艺的应用研究1 0 9 i 东南人学博士学位论文 , 8 2 3x y 向高精密定位平台试验样机的研制。1 1 0 参考文献1 1 1 致谢1 1 6 攻读博士学位期间取得的科研成果1 1 7 l l 第一章绪论 第一章绪论 美国著名的质量管理学家朱兰博士( j m j u r a n ) 提出:2 0 世纪以“生产力的世纪”已经载 入了历史史册,而未来的2 l 世纪将是“质量的世纪”。质量问题永远是一个企业参与市场竞争的 关键冈素和永恒主题,也是一个国家生产力发展水平和社会进步的重要标志。存储卡类产品是常见 的电子产品之一,在手机、数码相机、p d a 、m p 3 m p 4 等便携式电子产品,共至笔记本电脑上都具有 广泛的应用。通常情况下,存储r 类产品的实体质量是通过市场调研、产品开发、工艺设计、生产 技术准备、制造过程、质量检验、销售、服务及使用等多个过程形成的。相比较而言,在存储卡类 产品质量的形成过程中,产品的开发设计与制造过程所花费的时间最长、工序流程最多,对产品的 质量影响也最大。本章将针对存储卡类产品封装过程的质量控制问题,对其相关领域的研究概
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