压力约束模式下热超声倒装键合的试验

在采用压力约束模式夹持倒装芯片的条件下，实现了热超声倒装键合。通过观测键合过程中的输入超声功率、工具末端和芯片的振幅变化情况，研究了压力约束模式下不同键合参数对键合过程和键合强度的影响规律。试验结果表明：在这种约束模式下，键合力和功率对键合强度具有重要的影响；键合力对金凸点的变形是决定性的；键合强度与输入的超声能量总量有关，过小和过大的超声能量都不能形成好的键合强度，高强度的键合并不需要大的超声功率输入，键合过程中能量主要耗散于工具／芯片间相对运动导致的摩擦做功，并造成了芯片和工具的磨损。     

热超声倒装键合界面的运动传递过程

采用改进的激光多普勒振动测量系统,获得小直径激光斑,解决了大量数据采集和分析、同步触发等技术问题,实时精密测量热超声倒装键合过程中工具和芯片的运动.通过分析运动曲线,发现"速度分离"是表征键合过程状态改变的重要临界现象;发现在"速度分离"前工具/芯片粘着在一起运动,之后它们间是"粘滑"交替的过程;在"速度分离"后的运动过程中,工具能量一部分通过芯片传递到键合界面,形成键合强度;另一部分消耗在芯片/工具间的摩擦上,磨损芯片和工具,损害键合界面结构和强度.根据研究结果提出了新的超声加载过程思路,以期减小磨损,提高键合强度.     

热超声倒装键合中基于视觉的芯片高精度定位控制

针对自行研制的热超声倒装芯片键合机,建立了基于视觉的芯片定位控制系统,运用图像识别及处理算法对芯片的位置进行实时检测,并结合PID控制方法实现了平台的精确位置控制。实验结果表明,基于视觉的芯片定位控制系统能很好地完成芯片与基板的高精度键合定位。     

热超声键合PZT阻抗和功率动态特性研究

鉴于热超声芯片封装工艺的键合点空间高度局部化和时间瞬态性等特点，通过分析系统前端PZT阻抗和功率的动态变化规律，研究了芯片金球凸点与基板的键合过程及键合质量。结果表明：对于恒压源的键合系统，PZT换能器电流、阻抗及功率信号可表征键合过程的动态变化，且可将金球凸点与基板键合过程分为初始、平稳、结束三个阶段；键合环境的变化反映在PZT阻抗和功率变化之中，且PZT阻抗和功率与键合强度存在直接关系。试验及分析表明，PZT换能器阻抗和功率变化反映了金球凸点与基板键合过程及键合质量的差别，可用以分析整个键合系统。     

一种基于Au-In共晶的低温键合技术

介绍了Au-In键合在MEMS芯片封装中的应用.根据现有的工艺设备和实验条件对制备铟凸点阵列进行了工艺设计,对铟凸点制备技术进行了研究,最终在硅圆片上制备了6 μm高的铟凸点阵列.在150～300 ℃下成功地进行了Au-In倒装键合实验.在300 ℃,0.3 MPa压力下键合的剪切强度达到了5 MPa.     

基于LS-DYNA的第一键合点碰撞过程分析

运用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,模拟瓷嘴匀速下降直至碰撞芯片的过程。利用测振仪得到瓷嘴接近焊盘的速度,通过集中质量单元表述键合头惯量参数来简化模型,分析在一定接近速度和集中质量条件下的键合碰撞过程,得到碰撞过程中焊球与焊盘的应力应变分布及碰撞力变化曲线。最终得到的碰撞力峰值与实际碰撞力相近,证明了有限元分析的有效性,同时为焊盘结构设计提供了一定的理论参考。     

倒装焊封装对MEMS器件性能影响的有限元分析研究

对2×2、4×4、6×6、8×8面阵列凸点分布形式的倒装芯片分别进行了建模和模拟,分析了面阵列倒装芯片在常规温度载荷下芯片表面应力分布和变形的一般规律,并分析比较了凸点分布形式、基板类型对面阵列倒装芯片表面应力分布的影响,在此基础上估算了应力和变形对典型MEMS器件的影响。对于常规4×4面阵列情况,倒装焊后的悬臂梁吸合电压的最大相对变化率为5%,而固支梁一阶固有谐振频率最大相对变化率为110%。     

超声波键合熔接结构及压力自平衡夹具

聚合物微流控芯片对键合精度、键合强度及键合效率要求高。为了避免超声波键合中微通道被堵塞,解决键合过程中由调平精度和高频振动引起的键合强度低、键合压力分布不均的问题,设计了一种基于超声波键合的熔接结构和压力自平衡夹具。首先,利用感压胶片对压力自平衡夹具和不带自平衡功能的夹具的压力分布进行测量,并定义了压力分布系数进行量化。其次,利用两种夹具分别对设计芯片进行超声键合,并利用工具显微镜对焊线和微通道截面进行观测。最后,对两组芯片进行键合强度测试和密封性测试。实验结果表明:所设计的熔接接头结构对微通道的控制精度可达2.0μm。压力自平衡夹具结构简单可靠,可提高压力均匀性35.20%~43.18%,并使得焊线均匀一致,同时可提高键合强度15.3%~45.1%,并保证密封性。该熔接结构和压力自平衡夹具可满足聚合物微流控芯片的控制精度、键合强度、压力均匀性及其密封性的要求。     

基于超声振动的阳极键合试验台设计

基于超声振动理论,针对当前阳极键合面临的键合温度较高、易产生残余应力对器件结构造成破坏等问题,在分析超声在机械加工中的应用后,创造性地将超声振动应用到MEMS封装中的阳极键合工艺中来,设计了一种键合强度高、试验温度低、结构简单、工作可靠的超声振动阳极键合试验台,为研制超声振动阳极键合机奠定了坚实基础,对于缩短阳极键合时间、降低阳极键合所需温度、提高MEMS器件的键合性能、满足实际生产需要具有重要意义。     

超声键合系统接触界面非线性振动

为了提高超声键合换能系统的键合强度,降低换能系统的非线性振动,提高芯片键合的稳定性,本文从超声波在超声键合系统中的传播出发,建立了超声波在接触界面处传播的微观模型.当静应力较小时,由于动应力的作用,动应力幅度大于静应力,两种材料接触界面会发生分离,使输出的超声波不完整,材料内部质点振动位移较小;当静应力逐渐增大时,材料进入弹性变形阶段,输出的超声波波形与输入的超声波的波形一致,质点的振动位移最大;当静应力太大时,材料进入塑性变形区域,由于动应力的加载与卸载,应力与应变存在迟滞性,材料内部存在残余应力与残余应变,材料出现硬化现象,使输出超声波波形发生畸变,材料内部质点的振动位移减小.在倒装键合平台上进行了该模型的键合试验,使用多普勒测振仪,测量得到劈刀末端的振动速度,键合完成后测试了芯片键合强度.试验结果证明了该模型的正确性.     

芯片封装过程热超声制造界面多参数影响的规律与控制

在中国国家自然科学基金重大项目《先进电子制造中的重要科学技术问题研究》资助下，提出芯片封装界面制造过程多参数影响规律与控制之科学问题。获得包括界面键合结构与强度生成机制、超声作用下键合界面的运动行为、超声能输入系统动力学与超声能量传递模型等3个方面的研究成果。对上述成果提出研究报告。 为认识外能场对界面物质的作用机制，采用高分辨透射电镜(High Resolution Transmission Electron Microscopy，HRTEM)观察超声键合点(Bonding Interface，BI)连接界面微结构及生成条件，观察到超声作用界面材料位错密度剧增，表明界面没有发生高温，界面超声键合是在较低的温度下进行扩散键合，推断，超声键合过程中位错/表面扩散起重要作用。提出微观位错管道快速扩散成形机制——超声键合过程中激活的原子通过位错通道迅速达到表面和晶界     

Detection of solder bump defects on a flip chip using vibration analysis

Flip chips are widely used in microelectronics packaging owing to the high demand of integration in IC fabrication. Solder bump defects on flip chips are difficult to detect, because the solder bumps are obscured by the chip and substrate. In this paper a nondestructive detection method combining ultrasonic excitation with vibration analysis is presented for detecting missing solder bumps, which is a typical defect in flip chip packaging. The flip chip analytical model is revised by considering the influence of spring mass on mechanical energy of the system. This revised model is then applied to estimate the flip chip resonance frequencies. We use an integrated signal generator and power amplifier together with an air-coupled ultrasonic transducer to excite the flip chips. The vibrations are measured by a laser scanning vibrometer to detect the resonance frequencies. A sensitivity coefficient is proposed to select the sensitive resonance frequency order for defect detection. Finite element simulation is also implemented for further investigation. The results of analytical computation, experiment, and simulation prove the efficacy of the revised flip chip analytical model and verify the effectiveness of this detection method. Therefore, it may provide a guide for the improvement and innovation of the flip chip on-line inspection systems.     

MICROSTRUCTURE CHARACTERISTICS AT THE BOND INTERFACE

Lift-off and section characteristics at the interface of thermosonic bond are observed by using scanning electron microscope (KYKY2800) with EDS-test. Results show that the peeling underdeveloped bonds simulate a torus (or doughnut) with an unbonded central region and ridged peripheral region is bonded hardly. Inside roundness at flip chip bonding center are discovered. Bond strength is located between the severely ridged periphery and the non-adhering central area of the bond. For constant force and time, the ridged area of the bond pattern increases when more power is applied. For constant force and power, the ridged location of the bonded region moves closer to the bond center with time. Results of EDS-tests at Au-Al and Au-Ag interfaces show that Kirkendall diffusibility at Au-Ag interface occur and the diffusing speed of Au-atomic is faster than that of Ag, and that intermetallic compounds at Au-AI interface is generated possibly. And these would be helpful for further research about thermosonic bonding.     

引线键合力控制系统的优化设计

引线键合采用高纯度金线、铝线连接电子晶片和外围的管脚,是标准的微电子加工和封装的技术。从引线键合运动的角度来说,完整过程包括两种不同的运动状态:自由运动和约束运动。因为系统状态的不连续,在从自由运动的非接触状态到约束运动的接触状态时的阶跃过程,过大的键合力导致“过键合”情况,造成引线键合球的龟裂。所以,引线键合的质量和可靠性很大程度上取决于键合力控制的性能。很多因素都对键合力控性能有很大的影响。在本文中,提出一个具有鲁棒性优化的方法,用来设计高性能的键合力控制系统,在系统参数的波动和不确定性对于性能的影响的情况下,实现引线键合的平滑、稳定的接触阶跃控制。两步走的策略被采用:第一步,建立键合力控制系统的闭环模型;第二步,控制和结构同步鲁棒性优化,设计出高性能的键合力控制系统。     

织构刀-屑界面滑移区微通道特性数值研究

刀-屑界面滑移区的接触及微通道分布特性直接影响切削液的渗入和刀-屑界面摩擦,对金属切削过程有着重要的影响,针对滑移区接触及微通道分布特性测量难、切削液在刀-屑界面渗入不易量化等问题,建立微织构粗糙刀-屑界面滑移区的接触数值模型,分析滑移区的接触、微通道分布特性以及微织构作用机制。研究表明:滑移区存在3种不同的宏观接触特性,分别为近黏结特性、微通道特性和近分离特性;在近黏结特性区内,刀-屑界面不存在微通道,微织构主要功能为减少刀-屑界面接触面积;在微通道特性区内,刀-屑界面存在大量微通道,微织构主要功能为连接微通道;在近分离特性区内,刀-屑界面微通道消失,微织构主要功能为存储切削液。刀-屑界面应力分布系数对各特性区长度有影响,应力分布系数减小,近黏结区和微通道区长度增大,而近分离区长度相应减小。     

引线键合劈刀超声振动信号的时频分析

采用激光Doppler非接触测试方法，提取芯片封装引线键合工艺的关键部件——劈刀末端的超声振动信号。利用时频联合分析方法将劈刀末端振动信号拓展到时频域分析。结果表明，相比于单纯的时域或频域分析，时频联合分析更清楚地描述键合过程劈刀末端振动在时频域的动态变化特性，包括谐波成分、频率漂移、能量变化等丰富的信息，有助于深入理解键合点的形成过程。而且，时频分析可作为键合成功或失败的一种识别方法。     

Chemical mechanical planarization of copper bumps on printed circuit board

This paper deals with the planarization of copper bumps to improve the bonding performance and reliability of printed circuit board (PCB) manufacturing to improve by using flip chip during the fabrication process of the PCB. Authors tried to develop a novel planarization process using polishing techniques before the continuous process at the PCB fabrication. An experiment was implemented by mechanical polishing (MP) using alumina abrasives mixed with deionizer water (DIW), and by chemical mechanical polishing (CMP) added with oxidizer of HF. CMP showed superior results to MP with mirror surface less than Ra 3nm and minimum step height deviation of 1um, resulting in high bonding performance and reliability. Therefore, CMP is a strong tool for reserving a sufficient margin in the PCB manufacture process.     

Capillary-driven micro flows for the underfill process in microelectronics packaging

Capillary-driven micro flow allows liquid transport by interfacial force without external pressure or momentum. Theoretical and experimental studies have been conducted to predict the movement of the flow meniscus in the application of capillary underfill flows. In a flip chip package, two-dimensional motions of flow front through solder bumps can result in unwanted air void formation because the meniscus and the arrangement of the solid surface affect the interface dynamics. This study introduces analytical models of filling time and discusses their verification and limitations. Recent developments in underfill flow visualization are also presented to analyze flow phenomena, including the racing effect and void formation.