（机械设计及理论专业论文）热超声倒装过程的热力建模和多参量仿真.pdf

摘要 工业界在长期工业生产中积累了丰富的工艺认识和工艺参数 选择的经验，并发展了各种形式的微电子工业键合设备。但对其原 理尚缺乏系统阐明，不少与核心机理有关的重要现象，较多停留在 定性的描述上，远不能适应高密度封装对互连技术提出的要求。各 种物理、化学、力学作用下，对微小键合凸点的各种参数进行实时 测试相当困难，用有限元软件进行仿真是解决以上问题的有效手 段。 本文利用热超声倒装键合过程的实验结果，作为仿真的初始 条件，建立了热超声倒装过程的有限元仿真模型，对热超声倒装过 程中的微小键合凸点进行了多参量仿真。 主要研究创新点如下： 1 、在超声波作用过程中，材料发生软化与否只对应力的大小有影 响，而对其分布并无明显影响；界面上不同的摩擦状况对应力的分 布及大小均有影响：摩擦系数越大，界面上所产生的应力集中越大； 2 、键合区瞬态温度特性会影响到键合质量，不同的键合工艺参数， 使得界面的瞬态温度特性有明显不同。键合温升与键合压力和超声 波振幅密切相关，温度斜率随键合压力和超声波振幅的增大而增 大。在超声波振幅为0 7 , um ，键合压力为3 0 9 ，超声波加载9 毫秒 时，界面上的温度升高了7 4 5 度； 3 、利用仿真所获得的金凸点界面上的塑性应变云图和历程图，结 合试验结果，对界面上键合强度生成位置进行了分析； 4 、在超声波振幅和摩擦力的联合作用下，界面上产生应力集中， 应力值被放大，其中正应力增加了2 倍，切应力增加了o 7 倍。强 大的应力使材料发生塑性变形，产生塑性流动，为界面生成键合强 度提供良好的条件； 以上的仿真结果，对研究键合机理，提高键合质量，有着重 要的参考价值。 关键字：电子封装，热超声倒装，有限元分析，热力耦合，多参 量仿真 a b s t r a c t r i c he x p e r i e n c eo nc r a rr e c o g n i t i o na n dc r a f tp a r a m e t e r sc h o i c e s h a sb e e na c c u m u l a t e dt h r o u g hl o n gt e r mp r a c t i c ei nt h ei n d u s t r y , a n d a l s ov a r i o u so fb o n d i n ge q u i p m e n th a sb e e nd e v e l o p e d h o w e v e r , n o b o d yc a nc l a d 匆t h ep r i n c i p l eo fb o n d i n ga n dm a n yp h e n o m e n a a s s o c i a t e dw i t ht h ec o r em e c h a n i s mo fb e n d i n gh a v eb e e nk e p to nt h e q u a n t i t i v ed e s c r i p t i o nw h i c hi sf a rf r o ms a t i s f y i n gt h er e q u i r e m e n to f h i g hd e n s i t yp a c k i n g b yc o m p r e h e n s i v ea c t i o no fp h y s i c s ，c h e m i c a l a n d m e c h a n i c s ，r e a l t i m em e a s u r e o nt h e t i n yb u m pb e c o m e s e x t r e m e l yd i f f i c u l ta n dt h em e t h o do ff e am a k e si te a s yt ot a c k l et h i s p r o b l e m i nt h i sp a p e r , a i m i n ga tt h et h e r m o s o n i cf l i pc h i pb o n d i n g p r o c e s s ， t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li sf o r m e d ，w h e r ed a t af r o me x p e r i m e n ta r e u s e da si n i t i a lc o n d i t i o n s f r o mt h ef e a ，t h em u l t i - p a r a m e t e r sa r eg o t a n dt h em a i ni n n o v a t i o n sa r ea st h e f o l l o w i n g s ： l 、i nt h ep r o c e s so fu l t r a s o n i cb o n d i n g ，t h es o f t e n e dm a t e r i a lo n l y a f f e c t st h es t r e s so ni t sv a l u ea n dh a sl i t t l ee f f e c to ni t sd i s t r i b u t i o n 。 d i f f e r e n tf r i c t i o nc o n d i t i o n sh a v ei n f l u e n t so nt h es t r e s si nb o t hv a l u e s a n dd i s t r i b u t i o n sa n dt h eb i g g e ri st h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，t h el a r g e ri s t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o ni nt h e f l i pc h i pi n t e r f a c e 2 、t h es i m u l t a n e o u st e m p e r a t u r ei nt h eb o n d i n ga r e aw i l la l s oa f f e c t b o n d i n gq u a l i t yf o r d i f f e r e n t b o n d i n gp a r a m e t e r sh a v ed i f f e r e n t i n f l u e n c eo ni t t h et e m p e r a t u r ei nb o n d i n gp r o c e s sh a sm u c ht od o w i t ht h eb o n d i n gp r e s ss t r e s sa n dt h eu l t r a s o n i ca m p l i t u d ea n dt h e s l o p eo ft h et e m p e r a t u r ei n c r e a s ew h e nt h eb o n d i n gp r e s ss t r e s sa n d u l t r a s o n i ca m p l i t u d ei n c r e a s e 。w h e nt h eb o n d i n gp r o c e s sc o n t i n u ef o r 9m i l l i s e c o n dw i t ha m p l i t u d eo fo 7 jma n dap r e s ss t r e s so f3 0 9 ， t e m p e r a t u r ei nt h eb o n d i n gi n t e r f a c er i s e7 4 5d e g r e e 。 3 、c o m b i n et h ed i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o nf i g u r eo ft h ep l a s t i cs t r a i n f r o mt h es i m u l a t i o na n dt h er e s u l t sf r o mt h ee x p e r i m e n t ，t h eb o n d i n g p o s i t i o ni sa n a l y z e d 4 、w i t ht h e c o o p e r a t i o no fu l t r a s o n i ca n dp r e s ss t r e s s 。s t r e s s c o n c e n t r a t i o nh a p p e ni nt h e b o n d i n gi n t e r f a c ea n d t h es t r e s si s n a m p l i f i e d t h en o r m a ls t r e s si s2t i m e sl a r g e rt h a no r i g i n a lo n e 觚dt i l e s h e a rs t r e s si s0 7t i m el a r g e rt h a nt h e o r i g i n a lo n e t h ep o w e r f u ls t r e s s i sb i ge n o u g ht oc a u s ep l a s t i cs t r a i na n dp l a s t i cf l o wo nt h ei n t e r f i a c e w h i c hc a l lp r o v i d eg o o dc o n d i t i o n sf o rb o n d i n g a l lt h e s er e s u l t sa b o v ew i l lh a v ei m p o r tr e f e r e n t i a lv a l u ef o rt h e s t u d yo nt h eb o n d i n gm e c h a n i s ma n di m p r o v e m e n to ft l l eb o n d i n g quality,。 k e yw o r d s ：i c p a c k i n g ，t h e r m o s o n i cf l i p c h i p ，f e a ，t h e r m a l m e c h a n i c a lc o u p l e d ，m u l t i p a r a m e t e r ss i m u l a t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 褥的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢鲶地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或 其他单位的学位或证书冠使用过的材料。与我共同王作的圊志对本研究所作 的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：秀触 日期：趔丝出上月丝日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即。学校有权保留 学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部 分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或 湖南省有关部门规定送交学位论文。 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源和课题背景 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金“十五”重大项目“先进电子制造中的重 要科学技术问题研究一之课题4 “芯片封装界面制造过程多参数影响规律与控 制( 项目编号：5 0 3 9 0 0 6 4 ) ，国家9 7 3 重点基础研究发展规划资助项目“高 性能电子产品设计制造精微化数字化新原理和新方法一( 项目编号： 2 0 0 3 c b 7 1 6 2 0 2 ) 。 1 1 2 课题背景 超声键合技术始于上世纪7 0 年代末。工业界在长期工业生产中积累了丰 富的工艺认识和工艺参数选择的经验，并发展了各种形式的微电子工业键合 设备。但对其原理尚缺乏系统阐明，不少与核心机理有关的重要现象，较多 停留在定性的描述上，远不能适应高密度封装对互连技术提出的要求。 键合是芯片封装中最重要制造环节之一。其核心是在微互连结合界面上 输入能量，产生足够的结合强度和形成形状、尺寸规则的键合状态。这需要对 键合界面输入的能量所导致的物质多尺度运动与物质形态的转化，以及由此 产生的结合强度的规律有清晰认识，由此建立完善相应的键合工艺，并辅之 以设备运行与工艺过程的精细调控来实现。 在国家自然科学基金“十五 重大项目( “先进电子制造中的重要科学技 术问题研究”，资助号：5 0 3 9 0 0 6 0 ，简称重大项目) 的支持下，中南大学课题 组建立了较完善系统的实验研究平台，在超声波传播、超声能传递与实时监 测、键合过程检测以及由它们最终形成的键合界面的微观组织、结构强度、 演变规律等方面，进行了系统的机理实验探索的研究，获得了键合规律的新 认识。 1 1 3 研究意义 键合过程发生在瞬态( - 5 0 m s ) 、高频响应( 6 0 k h z ) 、高度空间局部化 硕士学位论文第章绪论 ( 界面形成的结合力与凸点本身的材料特性，以及焊接参数密切相关。 1 9 7 8 年，w i n c h e l l 和b e r g 出版了他们在超声键合方面研究的新发现【1 2 1 ， 至今这仍然是超声波孳| 线键合的指导性文献。简单总结他们的理论是，超声 键合就是在由楔形键会设备所提供的几种静态和动态外力作用下金属材料所 发生的“流动。首先，当向楔形劈刀提供水平方向的超声能量时，铝丝变软 并发生塑性形变。值得注意的是，使铝丝伸长所需的超声能量要比产生同样 效果所需的热能低1 0 0 倍【1 3 1 。实际上，平面位移不会产生大量的内部能量， 也无需额井的热筢量。 近几年来，中南大学微纳制造研究中心课题组通过大量的实验和分析， 继续深入开展了超声键合机理的磅究，主要内容如下【1 4 - 2 0 l ： 1 ) 观测超声能激活材料位错 在6 0 k h z 频率时用多普勒离频测振仪p s v - - 4 0 0 m 2 测得超声振动加速度 是重力加速度的1 8 8 0 0 倍。这种强烈的机械作用促进了位错的产生。超声能增 加了材料的位错密度。位错密度增加，材料晶格的畸变能增加，材料晶格结 构的不稳定性增强，增强原子扩教形成键合界面原子键键合。图1 乏是超声键 合界面位错状况。 5 硕士学位论文第章绪论 图1 - 2 键合界面位错状况 2 ) 超声激活表面位错，扩散激活能 超声键合界面扩散机理的几点认识如下： a ) 计算可发现超声能对材料的激活能达到了材料扩散的激活能的量级。 b ) 超声振动强的机械效应清洁表面，表面扩散激活能最低，超声振动激化 的激活能远超过表面扩散所需的激活能，超声起振初期，表面扩散是主要 的形式。 c ) 强的机械效应激活材料的位错，位错密度增加，成为扩散的通道，且激 活能接近或超过位错扩散的激活能，大大加速了扩散的进行，短路扩散是 键合点形成的主要机制。 d ) 晶界扩散、位错扩散、表面扩散，称为“短路扩散”。 按照扩散规律，短路扩散比体扩散快得多； 低温时，难于通过f 常途径进行扩散，而沿晶体缺陷扩散所需得 激活能较低，因而扩散主要沿晶体缺陷进行短路扩散 3 ) 超声疲劳发现与分析 多普勒的测试表明，超声作用过程中，加速度到达几力个g ，可形成高 频循环冲击。对压力3 0 9 ，振动位移5 0 0 n m 的超声键合条件下，有限元计算 的冲击内应力峰值为1 5 0 m p a ，并且发生高频循环冲击，从超声疲劳分析，低 周循环，在循环载荷的几十几百个周期里，对6 0 k h z 的超声振动即为1 1 0 m s ，出现应力应变超前和滞后回线( 如图1 3 ) ，产生超声循环软化，界面 随之流变。 硕士学位论文第一章绪论 丌刁而 过划n e ( a ) ( b ) l ) 夕勿 彩 夕 j j o 疹 侈 夕 图1 - 3“循环硬化”曲线 如果超声作用时间过长，高频超声循环冲击次数超出冲击疲劳寿命，导 致材料产生疲劳失效，如图1 - 4 材料发生疲劳裂纹。 懋。镧湖 麓翰嗍，溉溯鳜瀛：塞攀7 5 1 ： 图1 - 4 金球材料产生疲劳裂纹 这些发现必将推动超声波键合理论和技术的进一步发展。 1 3 热超声键合过程的数值模拟技术 计算机模拟技术可以将物理现象和零件的几何构造有机地结合起来，实 现动态的、逼真的模拟。通过计算机仿真还可以实现对研究材料内部的应变、 应变、晶粒、瞬态和稳态温度等的研究，具有实验不可替代的作用。随着计 算机性能的提高，以及国际上基础和应用研究活动的增多，计算机数值模拟 得到了快速的发展和应用，相关的软件有a b a q u s 、m a r c 、a n s y s 等通用 有限元软件，还有日本的h e a r t s 、美国的d e f o r m h t 、瑞典的t i 认s t 、 中国清华大学的n s h t 、上海交通大学的s j t u c a r b c a d 等专业软件。 1 3 1 热超声键合过程的数值模拟技术现状 热超声键合过程，是一个涉及机械，仪器仪表，材料，控制的交叉应用 领域。其中许多现象的解释，需要物理，化学，力学，声学，电子学，非线 性科学等学科知识的综合运用。微小键合点在数十毫秒瞬间内形成，常规技 术手段不易了解此局部区域内动态应力、应变、温升，以及金属界面微观结 构等细节；这一非线性动态过程，又不可能在比例相似的基础上进行模拟试 验。各种物理、化学、力学作用下，高度局部化区域内的实时测试相当困难【2 1 1 。 用有限元软件进行仿真是解决以上问题的有效手段。 在目前的文献中，关于热超声键合的热失效疲劳以及芯片键合换能系统 动力学的仿真研究比较多，但是关于热超声键合过程的仿真还未见报道，这 主要是因为存在以下困难： 1 ) 热超声键合的机理还没有成熟理论，难以建立模型定量描述现象。 最初，热超声焊接应用予电子封装的互连技术，其机理并不十分清楚， 很多文献从不同角度研究键合机理，得到了一些很有意义的结论，但对热超 声键合界面物质结构及其演变，缺乏说服力。 中南大学课题组在国家自然科学基金资助重大项目的资助下，深入热超声 键合机理研究，进行了大量的实验，得到的一些重大发现，必会推动超声键 合理论和技术的进一步发展。 2 ) 缺乏在超声波作用下材料的热物性、力学性能参数。 超声能量可以软化金属，在超声波作用下，的杨氏模量发生实质性的 降低，高频超声辐射效应下，a l 、c a 、b e 、z n 、c u 、a u 、f e 等材料都发生 金属软化作用，超声软化效果与振幅成比例，超声软化金属效果是热能软化 的1 0 0 倍瞄l ，但软化机理在物理上还是未解的难题。 3 ) 换热系数的测算还很不准确 超声键合过程构成了摩擦学、动力学的强耦合关系。在振动的作用下， 金凸点的底面受到摩擦力，并发生塑性变形。受摩擦力和塑性发热以及和外 界发生热交换的综合作用，金凸点的温度场发生变化。换热系数是温度场计 算中最为重要的非线性边界条件。而测量微米级金凸点在几十微秒内的瞬态 温度较为困难，测得的温度有较大误差，再加上摩擦生热及塑性发热的综合 作用，对于金凸点表面换热系数的测算，无论从计算方法和实验手段上，目 前都还存在困难。 3 硕士学位论文第一章绪论 这些都使得难以建立热超声键合过程的模型。 键合过程存在着速度分离阶段，在速度分离之前，金凸点在键合压力和 超声作用下发生的塑性变形流动较小，芯片运动的直接效果是破坏接触界面 的表皮层，使新鲜原子裸露出来，为原子扩散和键合强度形成提供了条件。 本文结合大型非线性有限元分析软件m s c m a r c ，针对热超声倒装的键合之前 的过程进行仿真，研究此过程中微小金凸点的内部应力、应变的大小、分布 及演变情况，金凸点内部瞬态温度变化等参数，为优化键合工艺，研究键合 过程键合质量的检测提供理论参考。 1 3 2 大型商用有限元软件m s c m a r c 简介 m a r e a n a l y s i sr e s e a r c hc o r p o r a t i o n ( 简称m a r c ) g j 始于1 9 6 7 年，是全国 第一家非线性有限元软件公司。m a r c 具有极强的结构分析能力，可以处理 各种线性和非线性结构问题，具有丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的 单元库。m a r c 的结构分析材料库提供了模拟金属、非金属、聚合物、岩土、 复合材料等多种线性和非线性的材料模型。m a r c 采用具有高数值稳定性、 高精度和快速收敛的高度非线性问题求解技术，它还提供多种加载步长自适 应控制技术，自动确定分析加载步长，以提高计算精度和求解效率。m a r c 的网格自适应技术以多种误差准则自动调整网格疏密，既保证计算精度，同 时也使非线性分析的效率大大提高。此外，它还支持全自动网格重划分，用 来纠正过度变形后产生的网格畸变，确保大变形分析的顺利进行。 m a r c 对非结构的场问题，如包含对流、辐射、相变潜热等复杂边界条 件的非线性传热问题的温度场，以及流场、电场、磁场提供了相应的分析求 解能力，并具有模拟热流固、电热、热结构等多种耦合场的分析能力。 为满足高级用户的特殊需要和进行二次开发，m s c m a r c 提供了方便的 开放式用户环境。这些用户子程序入口几乎覆盖了m s c m a r c 有限元的所有 环节，从几何建模、网格划分、边界定义、材料选择到分析求解、结果输出， 用户都能够访问并修改程序的默认设置，在m s c m a r e 软件的原有功能的框 架下，用户能够极大地扩展m s c m a r e 有限元软件的分析能力。m s c m a r c 基于区域分解法的并行有限元算法，能够最大限度实现有限元分析过程中的 并行化，并行效率可达准线性甚至线性或超线性。m s c m a r c 并行处理的超强 计算能力为虚拟产品运行过程和加工过程提供更快、更细、更准的仿真结果 1 2 3 。 9 硕士学位论文 第一章绪论 1 4 课题研究内容、方法与路线 1 4 1 课题研究内容 本课题研究超声倒装键合的工艺过程的基础上，通过实验得出了不同的 键合参数对键合强度的影响，为建立超声倒装的有限元模型提供了边界条件， 通过有限元仿真，研究了： ( 1 ) 材料发生软化前后，金凸点所受应力的大小及分布的变化情况； ( 2 ) 不同的摩擦状况对键合界面上正应力和切应力分布及大小的影响； ( 3 ) 键合过程中，键合界面上的温度变化。研究了不同的超声波振幅和 键合压力对键合界面上温升的影响； ( 4 ) 键合过程中键合界面上应变的分布及演变规律；并对键合强度的生 成位置进行了讨论； ( 5 ) 不同的超声波振幅对界面上的正应力和切应力的分布及大小的影响 规律； 1 4 2 课题研究方法与路线 本课题的研究方法为：通过实验，得到最佳的热超声倒装参数，运用弹 性力学，塑性力学，传热学，运动学等理论，利用大型非线性有限元仿真软 件，建立热超声倒装过程中的热机耦合模型，对热超声过程的多参数进行研 究。因此，本文的结构如下： 第一章：介绍了课题来源、背景、研究意义，热超声倒装键合原理，热 超声倒装工艺及理论的国内外研究现状。 第二章：，对芯片封装技术进行了简要介绍，并给出了芯片封装的连接方 式，简单介绍了热超声倒装键合机的组成及性能，为下一章的实验过程提供 了前提。 第三章：探讨了热超声倒装键合参数对键合强度的影响规律。键合参数 包括键合温度，键合压力和键合时间。得出了最佳键合窗口时的键合参数， 为有限元仿真模型的建立提供了边界条件。 第四章：给出了热超声倒装建模时所用到的本构方程，流动方程，摩擦 模型等数学模型，介绍了瞬态传热问题的解法，变形与传热耦合分析技术等， 最后理论以上理论建立了有限元仿真模型 第五章：对热超声倒装键合过程的有限元仿真进行的多个参数进行了较 为系统的分析。 1 0 硕士学位论文第一章绪论 第六章：结论与展望 硕士学位论文第二章芯片封装的连接方式及工艺流程 第二章芯片封装的连接方式及工艺流程 2 1 芯片封装技术 芯片封装始于2 0 世纪5 0 年代 2 4 - 2 7 ，是微传感器、微执行器、微光学系 统等电子器件制造的后半工序，其工艺水平直接决定各类电子器件的性能。 芯片封装从属后道工序，由晶片划片、粘接、键合等主要工艺组成。半导体 器件的后道封装包括若干个工艺形式，如图2 1 所示。第一，在半导体芯片上 进行扩散和布线，即0 级封装，也称裸芯片封装。第二，将芯片的输入输出 与基板互连，为是1 级封装；第三，将包括各种无源元件在内的电子元件安 装在印刷电路板，即为2 级封装。以此类推，经过若干封装形式之后就组成 整个系统i 蠲l 。 2 - 1 系统的封装层次结构 芯片封装是i c 芯片转变为功能产品的最后制造流程，为芯片进入工作状 态提供信号与能量传输的电连接，同时提供散热通道和可靠的物理保护与固 定作用，其基本功能如图2 - 2 所示。 1 2 硕士学位论文第二章芯片封装的连接方式及工艺流程 图2 - 2 封装的基本功能 2 1 1 芯片封装的连接方式分类 芯片封装的内部连接方式主要包括传统的引线键合( w i r eb o n d i n g ) 以 及新兴的倒装芯片( f 1i pc h i p ) 和硅片键合( w a f e rb o n d i n g ) 。 1 引线键合技术 1 ) 引线键合是当前微电子封装中的主要芯片互连技术之一，目前，9 0 的 芯片互连均采用这种方法【2 9 】。w b 技术又称线焊，即将裸芯片电极焊区与电子 封装外壳的输入输出引线或基板上的金属布线焊区用金属细丝连接起来。通 过加热、加压、超声波等能量去除表面氧化膜，借助于球一劈( b a ll w e d g e ) 或 楔一楔( w e d g e - w e d g e ) 等键合工具实现互连。其工艺流程图【3 0 1 如图2 3 所示。按 外加能量形式的不同，w b 可分为热压键合( t h e r m o c o m p r e s s i o nb o n d i n g ) 、热 超声引线键合( t h e r m o s o n i cw i r eb o n d i n g ) 和超声引线键合( u l t r a s o n i c w i r eb o n d i n g ) 3 1 o 根据键合工具的不同，又可分为球键合和楔键合。其焊 区金属一般为a l 或a u ，连接材料多为1 0 2 0 0 zm 的a l ( 或a 卜s i 、a 卜m g ) 、a u 、 c u 等金属丝。 2 ) 引线键合的优缺点： 目前所采用的引线键合一般指热超声引线键合和超声引线键合，其共同 特征是都以超声为主要键合能量。经过4 0 多年的发展，引线键合已经成为i c 封装业的标准技术。 引线键合主要优点为：成本低，适应性强，几乎可以适应各种封装形式。 引线键合的主要缺点：芯片的i o 必须布置在芯片周边，限制了芯片集 成密度；键合强度和可靠性受环境影响；互连密度低；生产率低；电导性差： 对于热超声引线键合，还需要大量高质量的黄金。 硕士学位论文第二章芯片封装的连接方式及工艺流程 图2 - 3 引线键合工艺流程 ( o ) 烧球：( 1 ) 夹线；( 2 ) 施加压力、超声波( 一焊) ；( 3 ) 引线，施加压力、超声波( 二 焊) ；( 4 ) 松线；( 5 ) 切线 2 倒装芯片键合( f c b ) 技术 倒装芯片键合技术是一种面阵列芯片互连技术，具有高的互连密度和互 连强度。它最早是由i b m 公司在6 0 年代开发。随着半导体芯片亚微米技术 的突破，单片集成度的迅速增加，v l s i ( 超大规模集成电路) 传输速度的提高， 为满足电子封装的高密度高性能要求，倒装芯片技术将是控制半导体封装市 场的主要互连形式。 将芯片有源区面对基板，通过芯片上呈阵列排列的焊料凸点来实现芯片 与衬底的互连，见图2 4 显然，这种芯片互连的方式，能提供更高的i o 密度 和更好的电性能。倒装键合工艺包括四类：热超声倒装( t h e r m o s o n i cf l i p b o n d i n g ) 、回流焊接( c 4 ) 、热压焊接( t h e r m o p r e s s u r eb o n d i n g ) 、环氧树脂导电 胶焊接( a d h e s i v eb o n d i n g ) 等方式。各倒装工艺的特点如表2 1 所示【3 2 j ： 1 4 硕士学位论文第二章芯片封装的连接方式及工艺流程 图2 - 4 倒装芯片 表2 - 1 倒装工艺分类与对比 倒装类型优点缺点 工艺复杂，s n p b 焊料， 回流焊凸点数高，可靠性好 对环境及人体有害 热压键合工艺简单凸点数低，可靠性差 导电胶连接工艺简单可靠性不好 热超声倒装工艺简单，绿色环保，可靠性好凸点数低 相对而言，热超声倒装键合技术具有一下优点【3 3 l ： 1 ) 是一种清洁、无铅、无焊锡、无胶的阵列i o 互连方式； 2 ) 超声能量的引入，使键合工艺简化、键合力和温度降低、键合时间缩 短，减小了对芯片和基板的损伤； 3 ) 热超声倒装键合所产生的金属间连接强度，比其它方式所产生的连接 强度大得多； 4 ) 工艺周期和时间可从数分钟缩短到数十毫秒； 5 ) 一旦充分发展起来，热超声倒装工艺可兼容大部分传统的装备和技术， 比如热超声引线键合机、薄或厚胶片基板技术、倒装键合机和底填料布胶机 等。 倒装芯片技术具有高互连密度，使得封装尺寸和数量减少，称得上是革 命性进步。但凡是都具有两面性，倒装芯片技术也有相应的缺点和不足：在 芯片上制作凸点所需的设备、材料价格昂贵，工艺复杂，使封装成本高，这 一点对于回流焊接技术特别突出。由于键合点隐藏在芯片下面，难以判定键 硕士学位论文第二章芯片封装的连接方式及一r 艺流释 合质量。 可靠性、成本、性能和尺寸是选择倒装芯片键合技术的关键驱动力量。 在移动电话和手持消费电子应用中，经常要求采用倒装芯片键合技术，以缩 小产品尺寸，提高产品性能。目前，几乎所有的主要微电子产品公司都在开 展倒装芯片技术研究，且相当多的技术都已被应用到产品中。 3 硅片键合 集成电路不断增长的运行速度要求尽量缩短封装中芯片间的连接距离，持 续缩小的封装尺寸促使芯片三维重叠结构的运用，生产效率的提高需要把单 个芯片的连接工艺扩展到整个硅片上进行。硅片键合工艺把多层圆片上下相 连同时形成电气和机械连接以满足这些要求。硅片在键合前经过减薄处理以 便有效地利用厚度空间。图2 5 是通过硅片键合上下连接在一起的三层硅片的 剖面图。 常规的硅片键合方式包括扩散、共晶、阳极电解和中间层粘合。另外也存 在常温、无电压的键合方式。 黼翩1 国暖簿基艨 黼威 徽溺蒸威1 缀屡 耩越乳囊犍巍 图2 - 5 硅片键合剖面图 2 1 2 芯片封装技术的发展趋势 器抟寝滋 镳禽镪辍鲻讶 辩徉袭断 镶奢筒瓣器酊 器糌袭甭 数十年来，芯片封装技术一直追随着i c 的发展而发展每一代i c 必然 有新一代的封装技术与之相配合，而s m t 的发展更加促进了芯片封装技术 不断达到新的水平。未来的集成电路芯片特点为：特征线宽d 、( 4 5 n m ，以2 0 1 0 年计算，下同) ，芯片引线间距与凸点间距窄( 2 0 1 j m ) ，封装厚度薄( 0 6 5 m m ) ， 这些芯片需求将对封装技术提出新的挑战。未来：芯片封装发展趋势主要为以 下工艺【3 4 。3 6 j ：系统级封装s i p ( s y s t e m i nap a c k a g e ) 、晶圆级封装w l p ( w a f e rl e v e lp a c k a g i n g ) 、系统集成封装s o p ( s y s t e mo np a c k a g e ) 、摹 硕士学位论文 第二章芯片封装的连接方式及工艺流程 板嵌入式封装d e s ( d i ee m b e d d e di ns u b s t r a t e ) 等。它们的共同点为：微米 制造尺度、亚微米定位精度、三维空间点阵的高强度低电阻的互连制造。 2 2 热超声倒装键合设备与性能参数 2 2 1 热超声倒装芯片键合机 1 热超声倒装芯片键合机的组成 图2 6 为中南大学课题组采用热超声键合工艺研制的自动倒装芯片键合 机。本课题研制的热超声倒装键合样机具有自动吸附芯片、自动校准芯片、 恒温控制、自动芯片与基板键合等功能。 该键合机主要由机器视觉系统、超声换能器系统、真空吸附及温控系统、 运动- 市1 - 台、测力系统、键合机控制软件等组成，具有机器视觉自动列准、宏也刎- 口、识u 、，尔纨、堀百倒l 拄币u 狄什哥z 且础，只伺彬l 葡恍见目列刈惟、宏 微运动结合实现高精度力反馈控制的特点，其工作过程如下： a ) 键合机启动，倒装芯片、基板分别放置在吸附台和工作台上； b ) 按标定坐标值驱动x 、y 工作台，使吸附台上的倒装芯片处于镜头1 正下 方，驱动z 轴旋转台1 ，使倒装芯片的偏转角为零；驱动x 、y 工作台， 使倒装芯片的几何中心与镜头1 中心坐标重合； 图2 - 6 热超声倒装芯片键合机 1 7 硕士学位论文第二章芯片封装的连接方式及工艺流程 c ) 按固定坐标值( 键合头吸嘴中心坐标与镜头1 的中心坐标的差值) 驱动x 、 y 工作台，使吸附台上的倒装芯片处于镜头1 键合头吸嘴中心下方；按标 定坐标值驱动z 轴宏动台，直至将芯片吸附到键合头吸嘴； d ) 按固定坐标值( 键合头吸嘴中心坐标与镜头2 的中心坐标的差值) 驱动x 、 y 工作台，使反光镜处于倒装芯片下方，通过镜头2 记录倒装芯片图象； e ) 按标定坐标值驱动x 、y 工作台，使工作台上的基板处于镜头1 正下方， 记录基板图象，并与倒装芯片图象比较，根据基板与芯片特征点的坐标差 值分别驱动x 、y 工作台以及z 轴旋转台2 ，实现基板与芯片的对准； d 按标定坐标值驱动z 轴宏动台，使倒装芯片与基板的距离为2 0 3 0 p , m ， 然后驱动p z t 微动台运动，使倒装芯片与基板接触并开始形成键合压力，键 合压力通过悬臂式力传感器检测； 当键合压力达到设定值，关闭微动台电源，启动超声换能器，完成倒装芯 片与基板的键合，驱动z 轴宏动台将键合头退出。 系统组装完成后如下图2 7 所示： 图2 7 热超声倒装芯片键合机 2 倒装芯片键合机的性能参数 本课题研制的热超声倒装键合样机，适应于1xlm m 一5 x 5 m m 微电子及 l e d 芯片的倒装键合，具体技术指标如下： a ) 芯片对准精度：+ 5 p , m b ) 最大键合凸点数：4 0 c ) 键合压力：5 9 2 0 0 0 9 1 8 硕士学位论文第二章芯片封装的连接方式及工艺流程 d ) 最高加热温度：2 0 0 。c e ) 芯片尺寸：i x l m m - 5 x 5 m f ) z 轴位移精度：5 n m 3 超声传能系统 超声传能系统的组成如下： 超声发生器 ( 8 0 6g e n e r a t o r ) 换能器与d i cc o l l e c t ( f 1s o i o - h 0 1 ) r s 2 3 2o rp a r a l l c li n t e r f a c e 弋 i 陀计算机 ( 1 ) 超声发生器( u l t r a s o n i cg e n e r a t o r ) 型号：8 0 gu l t r a s o n i cg e n e r a t o r 通道数：2 路超声信号输出 超声功率：输入功率：( 1 8 0 ) w a t t 频率：标准操作频率：6 2t o6 5 k h z ，具有频率跟踪功能 时间：两种范围：5t o1 0 0m s e c ，0 1t 01s e c o n d ( 2 ) 换能器是键合机的核心部件，其结构如图2 - 8 ，包括p z t 、变幅杆、 劈刀几个部分。其工作原理是：超声发生电路发出超声频率的电信号驱动p z t = p z t 将电信号转换成机械振动，并将机械振动传递给变幅杆；振动经过变幅杆 和劈刀传输后作用在工作界面上。 图2 - 8 换能器的组成 ( 3 ) 键合工具 引线键合工具为陶瓷材料，粗铝丝与倒装键合的工具为钨钢材料。图2 - 9 1 9 硕士学位论文 第二章芯片封装的连接方式及工艺流程 为倒装键合工具。 2 2 2 热超声键合的特点 2 - 9 倒装键合工具 热超声倒装工艺的基本原理为【3 7 。9 】：在一定的超声能量、压力能量以及热 能量的相互作用下，芯片金球凸点与基板之间产生金属原子相互扩散，形成 界面层而实现芯片i o 端口之间的互连。图2 1 0 为超声键合工艺示意图。 ( a ) 工艺模型 2 0 硕士学位论文 第二章芯片封装的连接方式及工艺流程 ( b ) 芯片与基板 图2 10 超声键合工艺示意图 热超声倒装键合发展于引线键合工艺，二者工艺原理极为相似，但实现的 封装功能却不一样。热超声倒装键合能够实现多凸点阵列与基板的键合，具 有引线键合不能比拟的优越性f 4 0 , 4 1 】： ( a ) 采用直接倒装互接，扩大了芯片f o 数量与连接面积的比值； ( b ) 连接介质采用微米级凸点，寄生电阻和电感很小，增加了信号的实时性； ( c ) 芯片背面散热，散热性能提高； ( d ) 装备、工艺过程相对简洁； ( e ) 由于超声波能量的引入，降低了压力和温度，对基板和芯片起着保护作 用： ( f ) 凸点材料允许多种选择，可以选择金凸点或者铝凸点； ( g ) 干燥、清洁、绿色无铅，对人体和环境无损害。 由于这些优越性，热超声倒装键合被认为是具有发展潜力的新工艺和新技术。 2 3 热超声键合的工艺参数和工艺流程 2 3 1 键合的工艺参数 引线键合一般使用9 9 9 的金线，其直径为2 51 2m 。粗铝线的直径可分为 1 0 01 2m ，3 0 01 2m 以及5 0 0ui l l 等类型。对于热超声倒装键合，目前金球直径为 4 0 8 01 2i l l 。 超声能量、温度、压力是超声键合的三大工艺要素。其中，超声功率为 o 5 0w a t t ，从属小功率超声范围；键合压力为0 2n ；键合温度为室温一4 0 0 。工艺参数的不同匹配( 即键合窗口) 将会导致不同的键合效果。 一燃 瓣i o _ 婴 _ t m ，f； ，_ 硕士学位论文第二章芯片封装的连接方式及工艺流程 2 3 2 热超声倒装过程的工艺流程 倒装键合与引线键合具有类似的工艺流程。对于倒装键合工艺，首先在 引线键合机上将金球植入芯片的i o 端口，然后通过高精确运动与视觉定位等 控制，完成以下步骤： ( 1 ) 键合工具通过真空吸附芯片，利用视觉系统实现芯片凸点群与基板焊 盘的对准。此时基板被加热到1 5 0 - 3 0 0 ； ( 2 ) 吸附有芯片的键合工具下降，芯片凸点和基板焊盘接触，并施加一定 的预压力； ( 3 ) 对芯片加载超声能量，使得芯片凸点与焊盘发生键合； ( 4 ) 释放真空吸附力，提升键合工具。 2 4 本章小结 正j i 髟；刎 泣，、 超声、殇荔 图2 - 1 1 热超声倒装键合基本工艺流程 1 、 本章介绍了芯片封装的连接方式和工艺流程，详细介绍了热超声倒装键 合设备与性能参数，并给出了键合工艺参数，为热超声倒装实验过程和仿真 的建模及多参量仿真提供了基础。 导 硕士学位论文第三章热超声倒装的键合参数对键合强度的影响 第三章热超声倒装键合参数对键合强度的影响 大量试验表明，键合温度、键合力、超声频率、超声输入功率、变幅杆 的材料和形状等，都将影响热超声倒装强度和可靠性。通过实观测和理论推 到，人们获得了不同键合参数对键合强度和可靠性的影响规律。 3 1 键合参数对超声引线键合强度的影响 课题组通过实验初步研究超声功率和温度对超声键合界面强度的影响。试 验中，每种条件下的倒装键合重复进行了5 次，使得试验结果有一定的重复 性，因此得到的结论也具有一般性。同时，在实验过程中采集了相关的数据， 主要包括：超声功率比、倒装芯片剪切强度、金凸点变形率、倒装工具末端， 芯片振动过程。 3 1 1 超声功率对热超声倒装键合强度的影响 为了研究超声功率对热超声倒装键合强度的影响，试验过程中采集了每 一次键合的p z t 驱动功率信号及对应的每一个键合点的剪切测试力值，前者 是超声功率的表征，后者是键合强度( s h e a rs t r e n g t h ) 的表征。 实验中通过改变设定超声功率比( 设定超声功率与最大可调超声功率比) 来调节超声功率。实际输入功率和设定超声功率比的关系如图孓1 所示。由 图孓1 可知它们基本是线性关系。 一 芯 辱台l 监蚤 秫缸 爱 设定超声功率比r 图3 - 1 实际输入功率与设定超声功率比的关系 在键合力、温度和时间分别为2 4 0 9 、1 6 3 c 和l o o m s 条件下，进行了5 组改变键合功率的实验，得到超声功率对倒装芯片剪切力的影响如图3 - 2 所 示：随着输入超声功率的增加，倒装芯片剪切力先增加，达到最大值后又下 降。即键合的输入超声功率存在一个区间，也就是键合窗口，在这个区间具 硕士学位论文第三章热超声倒装的键合参数对键合强度的影响 有较大键合强度。实验测得最佳键合窗口时超声波振幅为0 5 am 1 5 , ur n 。 芑 r