（机械工程专业论文）叠层芯片悬臂键合特性与规律研究.pdf

i量 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 作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，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而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名： 重旋当日期：j 盟年月丝日 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、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 作者签名： 圣旋丝f导师签名：趁日期：丑年上月五日 中南人学硕1 学位论文摘要 摘要 本文以叠层芯片为对象，系统研究了叠层芯片悬臂上热超声引线 键合的特性与规律。获取了键合时芯片悬臂端的挠度；分析了悬臂键 合与非悬臂键合的强度、界面形貌及原子扩散层厚度的差异；研究了 键合参数对悬臂键合强度的影响规律及键合界面的演变规律；提出了 厚膜悬臂键合新工艺。 研究工作主要包括以下几个部分： 1 通过悬臂键合实验和键合强度的统计分析，发现悬臂键合的强度 低于非悬臂键合的强度( 5 - 8 9 ) ；悬臂键合界面的韧窝区比非悬臂 界面少，表明悬臂键合界面不如非悬臂键合界面结合充分；并利用 高速摄像系统采集了悬臂键合过程的动态特性，发现键合时：签片 悬臂端产生了挠度，初始挠度达到了最大值2 5 m ，之后维持在 1 7 z m 左右，悬臂键合的挠度冲击影响悬臂键合的强度生成。 2 研究了键合参数( 超声电流、键合力和键合时间) 对悬臂键合强 度和键合界面的影响规律，每个键合参数都存在一个最佳值使键 合强度最高，即为超声电流1 5 0 m a ，键合力7 5 9 ，键合时间3 0 m s 。 3 采用高分辨透射电镜深入分析纳米级界面物质的微观结构，观测 到界面出现波纹状微结构，并用x - r a y 衍射仪分析测定了键合界 面物质的晶面间距d 。= 2 2 2 5 7 a ，d ：= 2 2 6 4 5 a ，d 。= 2 1 8 0 6 a ，为a 1 a u 。 金属间化合物。 4 针对悬臂键合的问题，提出了增加a 1 膜的厚度来改善键合质量的 新工艺，实验证明，a l 膜厚度从1 5 朋提高2 8 朋时，悬臂键合 强度提高了3 4 9 。 关键词：叠层芯片，引线键合，界面，高分辨透射电镜，键合质量 中南大学硕卜学位论文 a b s t r a ( ? r a b s t r a c t w i t ht h es t a c k e dd i ea st h em a i no b je c ti nt h ep a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i ca n d l a wo ft h e r m o s o n i cw i r eb o n d i n go no v e r h a n go fs t a c k e dd i ew e r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y t h ev e r t i c a ld e f l e c t i o n o ft h eo v e r h a n gd u r i n gt h ew i r e b o n d i n gp r o c e s s w a so b t a i n e d ；t h ed i f f e r e n c e si nb o n d i n gs t r e n g t h ， i n t e r f a c em o r p h o l o g ya n da t o m i cd i f f u s i o nl a y e rt h i c k n e s sb e t w e e n o v e r h a n gb o n d i n ga n dn o n - o v e r h a n gb o n d i n gw e r ea n a l y s e d ；t h ee f f e c t s o fb o n d i n gp a r a m e t e r so no v e r h a n gb o n d i n gs t r e n g t ha n dt h ee v o l u t i o no f b o n d i n gi n t e r f a c ew e r er e v e a l e d ；n e wp r o c e s so ft h i c kf i l mo v e r h a n g b o n d i n g w a sp r o p o s e d r e s e a r c hw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ： 1 t h r o u g he x p e r i m e n to fo v e r h a n gb o n d i n ga n d s t a t i s t i c a la n a l y s i so ft h e b o n d i n gs t r e n g t h ，i tw a sf o u n dt h a to v e r h a n gb o n d i n gs t r e n g t hw a sl e s s t h a nn o n - o v e r h a n gb o n d i n gs t r e n g t h ( 5 8 9 ) ；t h ed i m p l e so fo v e r h a n g b o n d i n gi n t e r f a c ew e r el e s st h a nt h a to fn o n o v e r h a n gb o n d i n gi n t e r f a c e ， i n d i c a t i n g t h a tt h e o v e r h a n gb o n d i n g i n t e r f a c ed i d n tc o n n e c ta s s u f f i c i e n t l y a s n o n - o v e r h a n gb o n d i n g i n t e r f a c e t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fo v e r h a n gb o n d i n gp r o c e s sw e r es t u d i e db yh i g h s p e e d c a m e r as y s t e m i tw a sf o u n dt h a tt h e o v e r h a n gp r o d u c e d v e r t i c a l d e f l e c t i o nd u r i n gt h eb o n d i n gp r o c e s s ，a n dt h ei n i t i a ld e f l e c t i o nr e a c h e d t h em a x i m u m2 5 比m ，t h e nr e m a i n e da ta b o u t17 m ，w h i c hw o u l di m p a c t t h ef o r m a t i o no fo v e r h a n gb o n d i n gs t r e n g t h 2 t h ee f f e c to fb o n d i n gp a r a m e t e r s ( u l t r a s o n i cc u r r e n t ，b o n d i n gp r e s s u r e a n db o n d i n gt i m e ) o nb o n d i n gs t r e n g t ha n di n t e r f a c ew a ss t u d i e d ，a n di t w a sf o u n dt h a tt h e r ew a st h eo p t i m a lv a l u eo f e a c hb o n d i n gp a r a m e t e rt o m a k et h eb o n d i n gs t r e n g t hr e a c ht h em a x i m u m ，w h i c hw a su l t r a s o n i c c u r r e n t15 0 m a ，b o n d i n gp r e s s u r e7 5 9 ，a n db o n d i n gt i m e3 0 m s 3 t h en l n 1 e v e li n t e r f a c em a t e r i a lm i c r o s t r u c t u r ew a sa n a l y s e du s i n g h r t e m ，a n dt h ew a v e l i k em i c r o s t r u c t u r ei n t e r f a c ew a so b s e r v e d ，t h e n i n t e r p l a n a rs p a c i n go ft h em a t e r i a la tb o n d i n gi n t e r f a c ew a sd e t e r m i n e d u s i n gx r a yd i f f r a c t i o n ，d l - - 2 2 2 5 7 a ，d 2 = 2 2 6 4 5 a ，d 3 = 2 18 0 6 a ，a sa 1 a u 2 i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d 4 i nv i e wo ft h ei s s u eo fo v e r h a n gb o n d i n g ，an e wp r o c e s so fi n c r e a s i n g i i 中南人学硕一i ：学位论文 a b s t r a c t t h et h i c k n e s so f a 1f i l mw a sp r o p o s e dt oi m p r o v et h eb o n d i n gq u a l i t y , a n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d t h a tt h eo v e r h a n gb o n d i n gs t r e n g t hi n c r e a s e d 3 4 9w h e nt h ea 1f i l mt h i c k n e s si n c r e a s e df r o m1 5 t i n t o2 8k t m k e yw o r d s ：s t a c k e dd i e ，w i r eb o n d i n g ，i n t e r f a c e ，h r t e m ，b o n d i n g q u a l i t y i 中南大学硕卜学位论文 目录 1 1 课题来源2 1 2 引线键合技术的研究现状2 1 3 论文内容安排6 第二章悬臂键合实验系统7 2 1 基于k & $ 8 0 2 8 引线键合机的悬臂键合实验平台7 2 2 超卢电信号采集1 3 2 3 悬臂键合芯片挠度的高速摄像采集1 4 2 4 键合强度测试1 5 2 5 本章小节1 6 第三章悬臂键合过程特性与键合强度分析1 7 3 1 超声驱动电信号分析1 7 3 2 悬臂键合芯片挠度及键合点形貌特性1 8 3 3 悬臂键合强度与界面结构分析2 l 3 4 本章小节2 3 第四章悬臂键合多参数影响规律研究2 4 4 1 超声电流对悬臂键合的影响2 4 4 1 1 超声电流对键合强度的影响2 4 4 1 2 超卢电流对界面形貌的影响2 5 4 2 键合力对悬臂键合的影响2 7 4 2 1 键合力对键合强度的影响2 7 4 2 2 键合力对界面形貌的影响2 8 4 3 键合时间对悬臂键合的影响3 0 4 3 1 键合时间对键合强度的影响3 0 4 3 2 键合时间对界面形貌的影响3 1 4 4 本章小结3 3 第五章键合界面微观组织结构分析3 4 5 1 键合界面微观结构的h r t e m 测试分析3 4 5 1 1 样品制备3 4 5 1 2 键合界面形貌观察及电子衍射分析3 5 5 2 微观界面生成新物相的x - r a y 衍射分析3 7 5 2 1x 射线物相定性分析的原理及方法3 7 5 2 2 键合界面新物相的确定3 8 5 3 本章小结4 3 第六章提高悬臂键合强度的工艺研究4 5 6 1 铝膜厚度对芯片硬度的影响4 5 6 1 - 1s i 和a l 的显微维氏硬度测试4 5 i v 录 日 一 一 一论一绪要璋摘第 中南大学硕仁学位论文 目录 6 1 21 5 z m a l s i 的显微维氏硬度测试4 7 6 1 32 8 z m a l s i 的显微维氏硬度测试4 8 6 2 铝膜厚度对键合强度的影响5 0 6 3 本章小结5 1 第七章全文总结5 2 参考文献5 4 致谢5 8 攻读硕士学位期间的研究成果5 9 v 中南大学硕t ：学位论文第一章绪论 第一章绪论 集成电路的设计、制造和封装测试是i c 产业的三大支柱。其中，i c 的封装 直接影响着i c 本身的电性能、机械性能、热性能和光性能，同时也影响着电子 整机系统的小型化和可靠性【l l 。半个世纪以来，伴随着圆片制造技术的不断提高， i c 的封装从单一的双列直插封装( d i p ) 逐步扩展到四边扁平封装( q f p ) 、球 栅阵列( b g a ) 、芯片尺寸封装( c s p ) 和圆片级封装( w l p ) 等多种封装形式。 但是，随着集成电路技术的飞速发展和应用前景的日益广阔，对集成电路的封装 提出了更高的要求，即更小、更轻、更薄、高可靠、多功能、低功耗和低成本的 要求。为了应对这种要求，近年来发展了三维叠层封装技术，即在x 、y ( 2 d ) 平面的基础上进一步向z 方向发展的微电子高密度组装。它可将多个相同或不同 功能的芯片封装堆叠在一起，使单个封装能够实现更大的容量或更多的功能，形 成系统封装1 2 删。三维封装的结构类型分为三种：埋置型、有源基板型和叠层型 3 d 封装。由于叠层型3 d 封装适用范围广，且使用在连接方式中占主导地位的 引线键合实现芯片级互连，工艺相对简单，成本相对较低，因此成为应用最广泛 的三维封装形式1 4 j 。 虽然叠层封装可以满足集成电路的发展对封装的要求，但为了避免对现有工 艺进行大的改动，叠层封装一般通过减薄芯片的厚度来保证总的封装厚度不变， 不久的将来可减薄到5 0 7 5g m ，比一根头发丝还要薄，可谓“薄如蝉翼”。对于 悬臂式的叠层芯片【5 叫而言，芯片厚度的减小将意味着芯片刚度的减小，导致其 易于变形，因此在悬臂上进行键合时，悬臂端必然产生一定的挠度，如何进行这 种芯片的封装和组装，对封装工艺和设备都提出了新的挑战【7 1 。 中南夫学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 本课题来源于国家重大基础研究发展计划项目( 9 7 3 计划) “i c 制造装备基 础问题研究”的课题3 “超薄芯片叠层组合互连中多域能量传递与键合形成 ( 编 号：2 0 0 9 c b 7 2 4 2 0 3 ) 。 1 2 引线键合技术的研究现状 引线键合技术由美国贝尔实验室于1 9 5 7 年发明，是目前历史最悠久且应用 最为广泛的芯片内部互连技术 s l 。该技术以其低成本、工艺实现简单等特点，在 互连技术中占主导地位，目前所有的封装管脚的9 0 以上采用引线键合连接【9 - 1 0 l 。 而且在可预测的未来，它仍将是半导体封装尤其是低端封装内部连接的主流方 式。 引线键合是以金属引线的两端分别与芯片和管脚键合而形成电气连接，根据 其键合特点分为超声键合、热压键合和热超声键合【l 。 热压键合是最早应用于芯片引线键合的方法，它是通过同时施加压力与加热 使键合部位产生塑性变形，实现引线与焊盘的紧密连接。压力和热量通过毛细管 形或楔形工具以静载或脉冲的方式直接或间接地施加到键合区，使其在一定的时 间、压力和温度下接触表面产生塑性变形和扩散。 超声键合是指仅施加超声和键合力就可使使金属丝和铝电极在常温下实现 直接键合的方法。由于键合工具头呈楔形，故又称楔键合。其原理是：利用压电 效应通过换能器将超声波发生器产生的高频驱动电压电流转换为超卢振动，经 变幅杆传递至键合劈刀，同时在劈刀上施加一定的压力，使铝丝和铝焊盘产生塑 性变形，从而实现键合。由于超声对键合材料具有清洁作用，因此超声键合对外 界环境的要求不高，适用性较好，应用广泛【1 2 1 4 1 。 热超声键合是指在热压键合的基础上增加超声来实现芯片封装互连的方法。 由于引入超声之后，降低了焊接时所需的温度，提高了引线键合的效率和可靠性， 因此该方法适用性强，目前被广泛采用，并已逐步取代热压键合【”l 。热超声键合 的过程为：首先利用打火杆产生的高压电弧使伸出劈刀末端的金丝熔化，使其在 表面张力的作用下形成球形，然后移动劈刀使金球与焊盘接触，在热量、压力和 超声三者共同作用下实现两者之间的可靠连接，然后劈刀升起，通过一系列复杂 的运动，拉出一个线弧，最后将引线楔焊在基板上。 目前，国内外对传统的单层芯片非悬臂上的引线键合进行了大量的研究，主 要包括： 2 中南大学硕t ：学位论文第一蕈绪论 1 键合质量的影响因素研究 ( 1 ) 超声电流 i n s uj e o n 等人【1 6 】通过有限元模拟和实验相结合的方法研究热超声键合中超 声功率对焊盘和内部金属介电层的影响，结果表明超声功率与焊盘表面裂纹和内 部金属介电层的破裂密切相关。 l i u 等人【1 7 1 建立了二维有限元模型对热超声键合进行了非线性瞬态动力学分 析，研究了超声振幅、超声频率对热超声键合的影响规律。鉴于超声的动态效应， 研究中考虑了材料的率相关特性。 王福亮等人【1 8 1 研究了超卢功率对超声键合强度的影响，结果表明：键合强度 随超声功率的变化曲线为开口向下的抛物线形，即存在一个超声功率的最佳输入 区间，在此区间内，键合强度较好且稳定，小于或大于这个区间，键合强度都会 降低。 ( 2 ) 键合压力 d i n g 等人【1 9 】利用有限元分析研究了超声引线键合过程中键合力对接触压力 和摩擦能的影响规律。研究发现施加大的键合力并不能导致大的接触压力或是高 的摩擦能密度，说明大键合力与好的键合能力间没有直接关系。 冯武卫【2 0 1 等人运用有限单元法建立了键合工具的动态接触模型，研究了正压 力对键合工具动态响应和摩擦应力的影响规律。结果表明：正压力过大或过小均 不利于高强度键合的形成，且不同的正压力会对键合工具动态响应的稳定时刻造 成影响，合适的范围为0 0 2 n - 0 2 n 。 r o o n e y 等人【2 1j 发现过大的键合压力会阻碍键合工具的运动，抑制超声能量 的传导，导致污染物和氧化物被推到了键合区域的中心，形成中心未键合区域。 ( 3 ) 键合时间 h e 等人 2 2 1 通过实验发现，随着键合时间的增加，键合压力的波动幅度也增 加，不利于键合压力的控制； 王福亮等人【2 3 1 研究了在不同的超声功率条件下键合时间对超声键合强度的 影响规律。结果表明：超声功率较小的情况下，键合强度对键合时间敏感；相反， 在超声功率较大的情况下，键合强度对键合时间敏感性下降。短时间键合时的主 要键合失败形式为剥离和无粘接，大超声功率长键合时间下的失败形式多为根 切。 ( 4 ) 键合温度 m a y e r 等人 2 4 1 利用一种集成化的微传感器实现了热超声键合过程的实时温 度测量，并据此进行了键合力的优化； 孟艳【2 5 1 同样利用微传感器研究了超声引线键合过程的实时温度特性，在 中南大学硕仁学位论文 第一鼋绪论 4 0 m s 的时间内获得了分辨率为l m s 的引线键合过程的瞬态温度分布。研究发现 键合区的温度从超声摩擦起始时刻开始迅速上升，并在超卢结束时达到最大值， 而后快速回落，最后达到稳定值。在超声振幅为1 2 5 j m ，静压力分别为1 o n ， 1 4 n 和1 s n 的情况下，随着静压力的增大，在超声波施加后的最初2 m s 时间内， 温度上升的斜率逐渐增大；同样的，当静压力保持在1 4 n ，超声振幅分别为 1 0 0 j m ，1 2 5 j m 和1 5 j m 的情况下，随着超声振幅的增加，温度上升的斜率也 逐渐增大。 隆志力等人【2 6 。2 7 】研究了键合温度对键合强度的影响规律。实验通过k 型热 电偶温度传感器测量键合温度，利用d t b 一3 0 测力计进行剪切强度测试。通过对 不同键合温度下的键合强度进行统计分析发现：键合强度对温度依赖性较大，键 合温度过低或过高都会导致键合不成功或键合强度降低的情况，最佳键合窗口出 现在2 0 0 2 4 0 ，并从三个方面对这一实验现象进行了初步解释。 ( 5 ) 焊盘尺寸、材料及特性 a k e l l ag k v i s w a n a t h 2 8 j 建立了三维有限元模型，运用显示时间积分算法进行 键合过程的非线性瞬态动力学分析，模拟键合过程中的焊盘变形和应力情况。通 过统计分析发现，在引线直径、铜基板的厚度和l o w - k 材料的类型三种因素中， 只有l o w - k 材料的类型可以对焊盘变形产生重要影响。 y a s u o 呲a l l a s l l i 【2 9 1 通过数值分析法研究了焊盘与引线间的界面变形以及焊 盘厚度、焊盘硬度和键合工具形状对界面变形的影响。作者认为：键合界面边缘 键合现象的出现是边缘部位的引线表面扩展的结果，而且这是不可避免的。但是， 可以通过增加焊盘厚度来促使中心键合的形成，因为随着尺寸系数( 焊盘厚度与 引线直径的比值) 的增加，接触面中心部位的扩展变的更大。相反，随着尺寸系 数的减小，应力集中更加显著，尤其是在边缘部位，这意味着基板的损坏将会变 大。随着焊盘硬度的增加，基板上产生应力集中，同样意味着基板的损坏，但是 这种损坏可以通过使用厚而软的焊盘来避免。 2 键合界面的研究 g g h a r m a n 3 0 l 通过观察热超声引线键合界面的剥离金相图，发现焊点的键合 界面始于周边，而后向中心区域蔓延。 李军辉 3 1 l 等人利用扫描电镜和e d s 能谱分析对超声键合的微观结构特性进 行了研究。作者在u 3 0 0 0 超声波粗铝丝压焊机上进行楔焊实验，发现超声键合的 界面形如脊皱圆环，脊皱脉形成键合强度，而界面中心和外边是未结合的摩擦痕。 实验过程中用示波器采集了键合过程的电信号，由此进行的输入阻抗分析所得的 结论与界面微结构判断一致。 李军辉【3 2 】还研究了a i - a 1 ，a u - a 1 和a u a g 超声键合界面的微观结构特性， 4 中南人学硕仁学位论文第一章绪论 分析了超声功率和键合时间对键合界面结构的影响规律。研究发现：键合界面的 微观结构形如一个中央末结合的椭圆；随着超声功率的增加，键合区的脊皱面不 断扩大；随着键合时间的增加，键合脊铍区逐渐向中央延伸；a u - a 1 键合界面可 能形成一些如a u a i 之类的金属间化合物。 对于叠层芯片，国内对其封装后的热应力和可靠性进行了大量的研究【3 3 0 7 】， 尚未发现在悬臂芯片上进行引线键合( 悬臂键合) 研究的报道。 国外在叠层芯片悬臂键合方面的研究主要有： e i i c h iy a m a d a 等人【3 8 】用有限元法研究了叠层芯片封装中芯片悬臂尺寸对上 层芯片的应力和变形的影响，研究发现较长和较薄的芯片将导致上层芯片更大的 变形，上层芯片在中间垫片拐角处的应力最大，且随着悬臂长度的增加而增大。 c h a r l e sj v a t h 等人【3 9 】通过有限元仿真分析了芯片厚度和悬臂长度对芯片变 形和应力的影响，发现在力的作用下，芯片变形随着悬臂长度的增加而增大；通 过热分析研究了叠层和悬臂结构的存在对叠层芯片上焊盘温度的影响，发现增加 悬臂长度和芯片厚度会降低焊盘处的最终的平衡温度；同时对叠层芯片进行了模 态分析，得到了叠层芯片可能存在的几种振动模态。 c h u as w e ek w a n g 等人i 4 0 1 介绍了一种新型的、使用台阶式芯片而无需中间 垫片的多芯片封装结构，利用有限元分析软件对该芯片悬臂上的引线键合进行了 仿真，发现键合时的最大应力出现在切割边界的上方表面处，可达几百兆帕，同 时悬臂末端产生2 m 的变形，并进一步分析了悬臂厚度对应力的影响，悬臂越 厚，应力越低。 a n n e t t et e n gc h e u r t g 4 1 l 对使用d a f 作为粘结材料的叠层芯片的悬臂键合能 力进行了实验研究，发现对于悬臂长0 5 m m ，厚5 0 , u r n 的芯片，距离悬臂起始 端0 2 6 m m 的范围内为可键合区，超过这个范围后，由于焊盘处下垂严重而使键 合时发生不粘附现象，超过0 3m m 时，在劈刀力的作用下芯片会在悬臂起始端 处发生折断。 y o s h i h i r om a t s u u r a 等人1 4 2 对悬臂长0 8 4 5 m m ，厚1 4 0 , u m 的带有低介电材料 的芯片的引线键合进行了有限元仿真分析，得到两种载荷下的芯片的应力和变形 结果，并通过实验验证了仿真结果的正确性，研究发现键合过程中芯片的最大应 力和变形是成比例的。由于该研究的主要目的是研究低介电材料应用于叠层芯片 封装的可行性，因此，悬臂键合只是本文的一小部分而没有进行过多的研究和详 细的分析。 m y u n g k e ec h u n g 等人【4 3 】用高速摄像机来记录叠层芯片悬臂键合的过程并得 到芯片悬臂竖直方向的最大挠度；用三点弯曲测试法测得了芯片的强度；通过实 验对不同的键合参数( c v 、p o w e r 、f o r e ) 下的芯片裂纹破坏进行了研究，发现 中南人学硕t ：学位论文 第一章绪论 初始碰撞速度c v 是芯片开裂的主导因素；对5 0 0 9 m 和7 0 0 比m 悬臂长度下键合 后的焊点剪切强度和键合面积进行了比较，发现前者的剪切强度低于后者，同时 键合面积比后者小1 0 ，说明焊点剪切强度和键合面积间存在对应关系；运用有 限元法对键合过程进行了非线性显式动力学分析，得到了焊盘处接触压力和劈刀 水平方向的反作用力随时间的变化情况。 由此可见，国内外对单层芯片上的引线键合进行了大量的研究，而对于叠层 芯片悬臂键合的研究还相当缺乏，尤其是在国内，这一领域的研究几乎还是空白。 因此，开展叠层芯片悬臂键合的特性与规律研究，对于提高悬臂键合质量和可靠 性，改善叠层芯片封装工艺具有重要意义。 1 3 论文内容安排 论文的内容安排如下： 1 首先搭建悬臂键合实验平台及数据采集系统和键合强度测试系统，开展 悬臂键合实验，获取相关数据； 2 通过实验得到的数据，对悬臂键合过程特性与键合强度进行分析。 3 分析键合参数( 超声电流、键合力和键合时间) 对悬臂键合剪切强度及 键合界面的影响规律。 4 通过h r t e m 观察键合界面的微观组织形貌和电子衍射花样，并结合 x r a y 衍射仪进行物相分析，确定界面生成的新物相。 5 针对悬臂键合的问题，在比较不同的铝膜厚度对芯片硬度的影响的基础 上，实验验证厚膜工艺的有效性。 6 中南大学硕 学位论文 第一章悬臂键合实验系统 第二章悬臂键合实验系统 为开展叠层芯片悬臂键合的研究，建立了基于k & $ 8 0 2 8 引线键合机的悬臂 键合实验平台，同时建立了悬臂键合过程中的数据采集系统，包括基于l a b v i e w 和n ip c i 6 1 1 0 数据采集卡的超卢电流电压信号采集系统和基于f a s t c a m s a l 1 高速摄像机的芯片悬臂端挠度测试系统，以及用于检测键合点键合质量的 强度测试系统，如图2 1 所示。 2 1 基于k & $ 8 0 2 8 引线键合机的悬臂键合实验平台 要进行引线键合实验，首要的设备便是引线键合机。它是集精密机械、光学、 图像识别、计算机应用、自动控制等诸多技术为一体的高精尖设备5 1 。作为生 产出世界上第一台引线键合机和第一台全自动引线键合机的公司，k & s 公司是 目前世界上最大的引线键合设备制造商m 。 本实验中所用键合机为k & $ 8 0 2 8 全自动引线键合机，如图2 2 所示，其主 要参数为： 超声频率：1 2 0 k h z ； 超声电流：0 5 0 0 m a ； 键合压力：0 - 3 0 0 9 ； 键合时间：0 2 5 0 m s 。 7 中南大学硕十学位论文 第一二章悬臂键合实验系统 图2 - 2k & s 8 0 2 8 全自动引线键合机 除键合机以外，键合时还需要一些辅助材料，如劈刀、芯片、金线等。 劈刀的几何形状对键合球有重要影响闱，本实验中选用的劈刀由p e c o 公 司生产，型号为b 1 0 1 4 5 1 2 0 1 0 ，几何形状如图2 3 所示，尺寸参数如表2 1 所 示。 表2 - 1 劈刀门舸尺寸 劈刀的安装情况也会对键合质量造成影响m ，因此，将劈刀安装到换能器上 后须进行校验，具体操作为：按键合机屏幕上的菜单选4c a l i b r a t i o n - - 3b o n d h e a d 一5u s g ，在出现的菜单中选5c a l i b r a t i o n ，进入下一个菜单选2g r a p h ，在 出现的画面中一定只有一个波峰，峰值电流在2 5 0 - 3 0 0 m a 之间，如满足要求， 则选择2 a c c e p t ，完成更换劈刀的操作。 实验中所用的芯片如图2 4 所示，芯片粘结在铜基板上，铜基板与外围的引 8 中南大学硕卜学位论文 第章悬臂键合实验系统 线框相连，每十个芯片为一组，实验过程中将其拉入导轨中( 图2 5 ) ，在哪块芯 片上进行键合便将其中心与热板中心对正，从右至左依次进行键合，十块芯片全 部键合完毕，将其推出到出料盒，进行下一组的键合。 陵? 鬻銎翌“霎了”鼍翼：羞印 融蕊盈麓麓麓时 图2 4 实验芯片 引线框 基板 叠层芯片 图2 - 5 导轨中的实验芯片 图2 - 6 为叠层芯片的s e m 图像。叠层芯片分为上下两层，呈十字交叉型布 置，中间通过环氧树脂材料粘接在一起，上下两层芯片同为s i 材料，尺寸均为 4 m m 2 掰所0 2 4 m m 。由于上层芯片左右两侧各有长1m m 的区域底下无支撑， 因此成为悬臂区，中间为非悬臂区。 实际封装中的引线键合是将金线与硅基板上的铝焊盘进行连接，劈刀必须打 到焊盘所在的位置，由于本实验只是对叠层芯片上的悬臂键合进行研究，并不需 要将其封装成具有实际功能的芯片，因此我们没有在上层芯片上设计一个个独立 的焊盘，而是在其整个上表面覆盖一层厚度为1 5 z z m 的铝膜，这样便可在芯片 的任意位置上进行键合而不受焊盘位置的限制。 9 中南大学硕 学位论文第：章悬臂键合实验系统 【b j 图2 - 6 叠层芯片 目前常用的金线根据其纯度可分为两类，纯度高于9 9 9 9 的称为4 n 金线， 纯度高于9 9 的称为2 n 金线。与2 n 金线相比，4 n 金线的晶粒大小更加均匀， 有较好的延展性和较高的弹性模量，而且其导电性能更加优良，电阻较小，因此 4 n 金线的应用更加广泛。本实验中采用的是直径lm i ! ( 2 5 朋) 的4 n 金线， 图2 7 为烧球之后的金线的s e m 图像。 图2 7 键合用金线 要想在自动键合机上进行悬臂键合实验，必须根据所设计的芯片及研究的内 容编制相应的程序，编制过程包括基板中心的校验，芯片与基板的辨识，一焊、 二焊点的位置及键合参数，线弧的类型及参数的设定等。本文研究的重点为叠层 芯片悬臂键合的一焊点，因此只对一焊点涉及的重要参数进行介绍，如图2 8 。 1 0 中南大学硕士学位论文第：章悬臂键合实验系统 图2 。8 焊点键合参数 1 ) t i 瑚索高度： 此高度是键合头从一个高加速度状态转换到一个固定速度时，键合头距离焊 盘表面的高度位置。考虑到键合时芯片厚度的变化以及基板的厚度变化，这个高 度对于键合头将是一个安全的高度。实验中采用建议的设定值：5 m i l s ( 1 2 5 u r n ) 。 2 ) c 碰撞速度： 这是键合头从搜索高度下降到金球接触表面时的行进固定速度，它负责产生 一个初始冲击压力，其设定值是依据金球初始挤压的程度大小比例来进行设定 的，即较高的设定值用在较大的金球，而较低的设定值用在较小的金球或是微间 距的制程应用，最小的定速度设定值是键合头不会出现假性的接触侦测为依据， 一个假的接触侦测相对于真的的接触侦测将会产生不同程度的键合问题。实验中 该参数设置为0 5 0 m i l s m s 。 ， 3 ) u s gm o d e 一超声模式： 这是定义超声波的输出型态。总共有三种不同的输出型态，分别为：( c o n s t a n t c u r r e n t ) 电流模式、( c o n s t a n tv o l t a g e ) 电压模式、( c o n s t a n tp o w e r ) 功率模式。 其中，电流模式可以达到最佳的制程转移效果，因此本实验中采用该模式。 4 ) u s gc u r r e n t - 超声电流： 这是选择超声输出型态为电流模式后须设定的电流值的大小，设定单位是 m a ，并且可以用l m a 的增减量来进行设定值的改变。 5 ) u s gb o n dt i m e 一键合时间： 这是一个可以设定超声波能量输出的时间。它的设定时间单位是m s ，并且 中南大学硕l 学位论文第：章悬臂键合实验系统 可以用l m s 的增加量来进行设定值的改变。超声键合时间计算是根据焊线头的 逻辑讯号宣告接触的侦测讯号开始。 6 ) f o r c 础合力： 应用于金球键合时的压力，设定单位是g r a m s ，键合压力与超声波能量的结 合使用，一方面使金球继续产生一定的变形，另一方面使得金球与焊盘间产生摩 擦力，去除键合界面间的氧化层。 7 1c o n t a c td e t e c tm o d e 一侦测接触方式： 设定侦测劈刀接触表面的方式，分为两种： v m o d e 是参考速度模式以及z 轴下降速度的动作来侦测是否接触表面 p m o d e 是参考位置模式以及z 轴下降高度的动作来侦测是否接触表面。 本实验中选择v m o d e 。 8 ) c o n t a c tt h r e s h o l d _ 侦测接触的灵敏度： 这个参数控制键合头在进行接触侦测时的灵敏度。较低的设定值将较为灵敏 而较高的设定值则较不灵敏，假如设定值较低，假的接触侦测可能较容易发生。 以数学形式来说明接触临界值是以c v 下降的百分比来表示，接触焊黏平面高度 的宣告时间点出现在键合头的速度等于 c v - ( c v x t h r e s h o l d ) 】。例如：假设c v 设 定值为1 0 m i l s m s 以及c o n t a c tt h r e s h o l d 设定为7 0 ，则伺服控制器将宣告接触 的时间点是出现在z 轴的下降速度降低到0 3 m i l s m s 。 将上面的键合参数设定好后，便可得到一焊点键合过程的时序图，如图2 - 9 所示： l u s gc u r r e n t l - _ - - - - 一r r l r ll - 1 _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - - - - - - 一 图2 - 9 焊点键台过程时序图 第四章中，我们将研究超声电流( u s gc u r r e n t ) 、键合力( f o r c e ) 和键合时 间( u s gb o n dt i m e ) 三个参数对悬臂键合的影响规律。 选择好键合设备及所需的材料，并根据研究内容编制好程序后，便可进行悬 臂键合操作，键合后的芯片如图2 1 0 所示。 1 2 中南大学硕 学位论文 第一章悬臂键合实验系统 l 翻 一 一：副 崩蚓鲞葛叠。烈 囊一趸_ 礤戮鼎黝 崖躺黼i 墓，霉 r 震嚏攀酽l醚 掰 缓k 一 | ， 蜻i 蠲l 叠一鬈疆函；嗣l i 蚤一 1 0 键合后芯片 可以看出，键合点共十六个，为比较悬臂键合与非悬臂键合的差异， 键分为两组，其中5、6、7、8、13、14、15、16为非悬臂键合点，1、2、3、 4 、1 0 、1 1 、1 2 为悬臂键合点。 2 超声电信号采集 程中输入键合界面的能量对键合强度的生成有重要影响，但是直接监 测分能量几乎是不可能的，因此对于目前的键合系统，一般都是通过另一种 途即采集换能器的驱动电信号来确定键合参数，这主要是基于两方面的考虑， 一集换能器的驱动电信号在技术上比较容易实现，可以实现在线监测，另一 方虽然电能经换能器到键合界面的传播过程中有一定的能量损耗，但大部分 的还是传递到了键合界面做功，使键合点形成一定的键合强度【43】，本实验即 对器的驱动电流电压信号进行了采集( 图2 1 1 ) 。 中南大学硕。 学位论文第一：奄悬臂键合实验系统 采集程序采用l a b v i e w 进行编制，硬件则采用n i 公司s 系列p c i 一6 11 0 数据 采集号( 如图2 1 2 a ) 所示) ，该卡可同步采样4 路输入模拟信号，分辨率为1 2 一b i t ， 每个通道采样率可达5m s s ，经扩展的输入范围达4 2v ；同时还有两个1 6 一b i t 模拟输出通道，8 路数字i o ，两个2 4 - b i t 计数器，具有模拟触发n i d a q m x 测 试配置软件。 a ) n ip f i i - 6 1 1 0 b ) n i6 n c 。2 1 1 0 图2 - 1 2 采集卡与接线盒 实验时，须将电流电压信号与数据采集卡通过接线盒( 如图2 1 2 b ) 所示) 进行连接。选择a i 0 和a i l 两个通道，前者采集电流信号，后者采集电压信号， 电流信号和电压信号从引线键合机超声电路板中引出，以电压信号为触发信号， 上升沿触发，设置采样频率为2 0 4 8 0 0 0 h z ，采集时间根据设定的键合时间进行调 整。参数设置完毕后，首先按下采集按钮，然后操作键合机进行一次键合操作， 键合过程中的电流和电压信号就被数据采集卡获取，以文本的形式存储到指定的 文件中，以备进一步处理。 2 3 悬臂键合芯片挠度的高速摄像采集 由于完成一次引线键合的时间非常短，仅为数十毫秒，要想获得芯片悬臂端 的挠度，必须采用高速摄像机( 如图2 1 3 所示) 进行拍摄。 实验中高速摄像机的帧频( f r a m er a t e ) 设为2 0 0 0 帧秒，图像的分辨率为 1 0 2 4 x1 0 2 4 ，测试界面如图2 1 3 b ) 所示，以换能器的驱动电压信号为触发信号， 触发模式设为c e n t e r ，即高速摄像系统记录的是检测到触发信号时刻的前后各 o 5 s 时间内的信号，因而总的记录时间为1 s 。但实际上，为了节省存储空间，我 们只须截取所关心的完成一焊点键合过程的数十m s 内的信息即可。 1 4 中南大学硕仁学位论文第一二章悬臂键合实验系统 a ) 2 4 键合强度测试 b ) 键合完成后，衡量键合质量的一个重要标准是键合强度。目前，测试键合强 度的常用方法是进行键合点拉力测试和剪切力测试。其中，拉力测试的结果除了 与工艺参数有关外，还受键合材料( 材质、直径、强度和刚度) 、拉力点位置、 引线长度、拉力角度等因素的影响，所以存在较大测试误差【1 8 1 1 4 7 1 1 4 9 1 ，而剪切力 测试则避免了以上问题，且其测试值较大，结果较稳定，也更接近键合点受力破 坏的实际模式。故本文采用后者作为测试手段，运用d a g e 4 0 0 0 拉剪测试机( 如 图2 1 4 ) 对键合后的焊点进行剪切强度测试，并以