热超声倒装键合振动传递与键合强度形成研究

采用多普勒激光振动测量系统，获得了热超声倒装键合过程中工具末端及芯片的振动速度曲线。通过比较分析两条曲线，揭示了热超声倒装键合强度的生成过程：在键合初始阶段，键合界面的相对运动主要发生在芯片金凸点与基板焊盘表面之间，并使其接触表面氧化层和污染层被破坏，裸露出新鲜原子，为金凸点与焊盘间的原子扩散并最终形成键合强度提供条件；随着键合的进行，芯片振动速度开始下降，而工具末端振动速度继续增大（即出现速度分离现象），工具末端和芯片间产生明显相对运动，表明键合强度已产生，芯片金凸点／基板焊盘间的结合力超过工具末端／芯片间的摩擦力；速度分离后芯片与工具末端的振动速度和位移曲线表明了超声振动能量部分耗散在芯片／工具的摩擦上。     

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。     

超声功率对粗铝丝超声引线键合强度的影响

超声功率是影响粗铝丝引线键合强度的最主要因素之一。在尽量排除其他干扰因素的情况下，通过实验比较了11种不同超声功率条件下，粗铝丝引线键合的结果，观察到了超声功率对粗铝丝引线键合强度的影响：在超声功率较小情况下(超声功率比为20％～30％)，增大超声功率有助于提高键合强度；在超声功率较大的情况下(超声功率比为45％～70%)，增大超声功率反而会降低键合强度，出现过键合的情况；只有当超声功率适中时(超声功率比为35％～40%)，才能获得稳定且满意的键合强度。分析了验现象的产生原因。     

超声功率对引线键合强度的影响

采集键合试验的PZT驱动功率及对应键合点的剪切测试力数据,作为超声功率和引线键合强度的表征.试验中的键合力、温度和时间分别设置为4.7 N、室温和100 ms.在这种典型的工业工艺键合参数下,通过改变超声功率比(设定超声功率与最大可调功率之比)来改变超声功率,研究了超声功率对引线键合强度的影响规律.试验中超声功率比在15%～100%之间做了20种设置,共进行了20组1 000次键合试验.结果表明:超声功率小于3.5 W时,键合强度受超声功率的影响规律明显,即当超声功率小于1.0 W时,增加超声功率将增加键合强度,并减少剪切测试力为0的情况;大于1.6 W后则反之;而在1.0～1.6 W之间则可获得稳定可靠的键合强度,也就是在上述试验条件下的键合窗口;超声功率超过3.5 W后,规律不明显.此外,超声功率除受超声功率比这一可控因素影响外,还受基板质量不均匀、劈刀与铝丝间约束不确定等随机因素影响,超声引线键合是一个敏感的过程.     

热超声键合中温度对换能系统驱动的研究

在热超声引线键合过程中,超声功率设置和键合温度是影响键合质量和换能系统行为的重要因素。通过实验采集不同超声功率设置和不同键合温度下键合过程中换能系统两端的驱动电流和电压信号。计算得到换能系统两端实际加载功率。分析不同功率设置下键合温度对换能系统驱动的影响规律。解释功率设置和温度导致系统驱动改变的可能原因。结果表明:不同的功率设置下,温度对换能系统驱动影响存在不同规律。较小功率设置下,温度对驱动影响较大。功率设置越大,温度对驱动影响逐步变小。这些实验数据和结果有助于进一步研究键合过程中参数间的相互影响规律。     

辅助溶剂对PMMA微流控芯片模内键合的影响

为了提高聚合物微流控芯片的键合效率,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片为对象,以微型注塑机为平台,研究了聚合物模内键合方法.利用注塑机提供的合模力作为键合力,利用模温机提供键合温度,选择异丙醇作为辅助溶剂,借助溶剂溶解特性来降低模内键合中的键合温度和压力.在30～70℃,用测量显微镜和台阶仪测试分析了不同键合温度条件下,辅助溶剂对芯片的表面形貌和微通道结构的影响;利用辅助溶剂进行模内键合实验,用电子万能实验机测试了芯片的键合强度,对模内键合工艺参数进行了优化.结果表明:异丙醇对键合质量的影响与键合温度、键合时间有关,在较高温度下会使芯片产生皲裂、微沟槽变形和堵塞;在键合温度为35℃,键合时间为5 min时,芯片的表面质量和微沟槽形貌较完整,键合强度不小于2.64 MPa.     

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。     

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.     

一种面向芯片转移的对心检测方案设计

芯片倒装键合工艺中需要完成的拾取、转移和贴装等过程,对芯片对接转移的对位精度有较高要求,常规对心操作和检测方案并不满足自动化、精密测量工况。提出一种基于单视觉系统的对心检测方案和装置,该方案通过双视角采图和偏差反求的方式,实现芯片对接中两目标对心偏差的求取和补偿。通过RFID标签倒装键合装备实验验证,该对心检测方案在不影响被测对象运动和布局的情况下切实提高了芯片对接转移的对心精度。     

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.     

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     

热声键合界面的微观结构特性

设计一系列的键合实验，通过扫描电镜SEM和EDS能谱测试分析热声键合界面的微观结构特性及变化规律，结果表明，热声键合界面的形状像一个中央未结合的椭圆环，键合强度取决于皱脊椭圆环结构；当作用力和功率保持不变，随着时间增加，键合区向中央延伸，当作用力和时间保持不变，随着功率的增加，焊接区里皱脊面扩大。EDS能谱测试Au—Al、Au—Ag界面的微观组织成分，证实了Au—Ag扩散偶的Kirkendall扩散效应及Au—Al键合界面可能形成金属间化合物。     

旋转超声磨削加工中刀具结合剂类型与加工性能的关系

实验分析了硬脆材料旋转超声磨削过程中刀具结合剂类型对加工性能的影响以便提高加工精度和加工表面的完整性.首先,采用能谱分析研究了铁基、陶瓷基和青铜基3种超声振动刀具中结合剂与金刚石颗粒的把持形式,并根据相同加工工艺条件下刀具磨损形式确定了把持力大小.然后,结合超声振动刀具特性,通过旋转超声磨削加工实验研究刀具结合剂类型与切削力、刀具磨损量、加工表面完整性的关系,并对实验结果进行了分析.实验结果表明:相对于陶瓷基和青铜基结合剂超声振动刀具,铁基结合剂超声振动刀具把持力最大,Z轴切削力平均值最小(为46.8 N);加工18 000 mm3材料后,刀具轴向磨损量最小(为0.1 mm);而陶瓷基结合剂超声振动刀具加工表面质量最好,表面粗糙度最大值为21.79 μm.结果证实铁基超声振动刀具适用于粗加工,陶瓷基超声振动刀具则适用于精加工.     

倒装芯片钉头凸点工艺技术

采用钉头凸点工艺进行了倒装芯片上凸点的制备,运用田口试验方法进行设计和试验验证,确定了钉头凸点制备的优化的工艺参数组合。研究结果表明：凸点质量的影响因素依次是超声时间、超声功率和焊接压力,优化的工艺参数组合为超声时间50ms、超声功率0．36w、焊接压力55玎。采用优化后的工艺参数进行凸点制备,获得了稳定性良好的钉头凸点,可满足小批量混合集成微波电路芯片倒装焊接的需要。     

Investigation on the bonding strength patterns of ultrasonic vibration tools and influence on working performance during rotary ultrasonic grinding

During rotary ultrasonic grinding process, working performance of ultrasonic vibration tools varies according to the bonding patterns between diamond grit and bond. In order to understand the influence of ultrasonic vibration tools on working performance, bonding patterns and bonding strength of ceramic-bonded, iron-bonded, and bronze-bonded tools were investigated. Influence of bonding strength on cutting force, tool wear, surface quality, and edge breakout were studied, coupled with the characteristics of ultrasonic vibration tools. The results show that cutting force in Z axis and tool wear reduce with the increase of bonding strength while the surface quality and edge breakout become worse.     

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.