第三届上银优秀机械博士论文摘要选登

正论文名称:IC薄芯片拾取建模与控制研究论文作者:华中科技大学/彭波指导教师:熊有伦、尹周平《研究领域:电子制造装备技术、RFID技术与应用、复杂产品数字建模与精密测量、高速视觉、机器人运动规划、加工/测量一体化》IC芯片的无损精确操作与转移是电子封装的核心支撑技术之一,直接影响到电子器件封装成品的的最终性能、成本、小型化以及服役可靠性与寿命,特别在IC芯片薄型化的趋势下意义显著。论文对芯片拾取的剥离机理与失效评估、工艺控制和新型机构等关键问题进行了系统深入的研究,取得了一些理论与实验成果,主要研究工作和创新之处体现在:     

IC封装设备远距离芯片传输装置方案设计

为了满足当前IC封装工艺过程中远距离芯片传输工艺的高速、高精度和高可靠性需求,并综合分析了现有芯片传输技术,提出了一种双旋转盘交替式直线轨道芯片传输方案,并对其进行了芯片传输实施方式描述和可行性分析,为国内IC封装设备企业芯片传输装置开发提供参考。     

IC封装设备远距离芯片传输装置设计

芯片传输装置是IC封装设备的一个关键部件,其工艺操作性能直接影响IC封装的生产效率和成品率。为了匹配当前芯片远距离传输工艺的新要求,对远距离芯片传输工艺进行了分析,提出了一种双旋转盘交替式直线轨道芯片传输方案。构建了传输装置结构模型,并进行了芯片传输实施方式描述。     

预埋芯片混合集成基板制造技术研究

文中基于多层共烧陶瓷基板开展预埋芯片混合集成基板技术的研究。通过对混合集成基板的内应力进行仿真分析,得到了预埋芯片基板工艺中芯片和腔体结构的最佳匹配关系。在多层共烧陶瓷基板腔体中埋置芯片并通过金凸点垂直互连实现电连接。在腔体中填充苯并环丁烯（benzocyclobutene, BCB）介质并将BCB 与多层共烧陶瓷基板表面异质抛光形成平面结构,用于后续薄膜电路工艺的实施。文中详细研究和优化了金凸点芯片垂直互连工艺以及多层共烧陶瓷基板/BCB/Au 异质界面的抛光工艺,制作出了适合后续薄膜工艺的预埋芯片混合集成基板。     

燃油蒸汽压力传感器的封装研究北大核心CSCD

为了实现面向汽车燃油蒸汽压力检测的压阻式微压传感器封装,应对其油污、振动的使用环境,减小封装结构应力对压敏芯片的影响,采用芯片背面承压,与电路集成在一块陶瓷基板上,再同塑料外壳组装成完整传感器的封装方式。通过仿真软件辅助设计,研究了贴片胶、外壳以及基板对压敏芯片的影响,确定了最优封装结构和参数,封装样品经过测试全温区最大误差约为1.2%FS,满足使用需求,通过这种封装方式降低了传感器的尺寸和成本。     

封装热效应及粘结层对微芯片应力和应变的影响

针对不同的基板和粘结层,运用COMSOL Multiphysics软件分析了由封装引起的热失配对MEMS芯片的内部应力和应变的影响及其影响规律。分析不同基板对SiC芯片的应力和应变的影响,通过有限元计算分析得知,当基板的热膨胀系数跟芯片的热膨胀系数越接近,封装对芯片导致的应力应变和位移的影响越小。研究表明:粘结层的厚度对SiC芯片的应力等参数同样存在一定的影响,当粘结层的厚度增加时能够降低SiC芯片由封装引起的热应力,同时也会降低SiC芯片的第一主应变。基板厚度增加会增加SiC芯片由封装引起的热应力,温度场由高到低会增加SiC芯片由封装引起的热应力。     

采用芯片直接安装技术封装的风速风向传感器

提出一种采用芯片直接安装(Direct chip attach,DCA)技术封装的风速风向传感器的设计,制备和测试结果.该传感器采用圆形结构,利用热温差的方法测量二维风速和风向.其利用两步金属剥离工艺直接将在感风陶瓷基板上芯片制作出传感器芯片,利用封装胶将优质芯片倒贴在打孔印制电路板上并进行引线键合,用绝热封装胶对芯片进行封包,形成最终的封装.对封装后的传感器芯片进行风洞测试,传感器可以完成360o风向检测,风速量程为6 m/s.     

微/纳尺度Cu-Sn界面冶金行为研究进展

随着电子芯片封装尺度高度集成化和功能化,对芯片互连结构的性能需求越来越高.而三维封装互连结构是实现多芯片间系统集成的关键技术之一,微/纳尺度Cu-Sn互连结构是实现三维封装互连的重要方向.重点阐述了电子封装中Cu-Sn互连结构值得关注的几种界面动力学行为,分别为固-液界面Cu6Sn5的生长;Cu-Sn界面层状IMCs固...     

一种微机电封装中粘接层间剥离应力计算方法

基于弹性力学理论和经典Sujan方法,研究了微机电系统封装中芯片与基板之间粘接层在受到均匀温度载荷时的剥离应力,提出了一种新的计算方法。该方法通过弯矩与曲率的关系,求出曲率方程,进而经由挠度求得剥离应力。经过与Sujan方法和有限元仿真结果比较,显示新的方法能够很好地体现出了剥离应力的变化趋势和在封装结构末端应力集中处的最大剥离应力且新方法与有限元仿真的差值比Sujan方法减小约13%。该方法可为计算封装结构剥离应力提供参考。     

三维集成封装结构热力可靠性分析

针对典型TSV封装结构,基于有限元方法,采用MARC软件对具有特定功能的双层芯片-基板堆叠组装微系统进行了模拟分析。通过改变基板的尺寸厚度,研究关键部位的应力场与位移场分布,从而为设计工艺提供合理可靠的方案。     

新型可控坍塌芯片连接技术(C4)及芯下材料力学性能研究进展

可控坍塌芯片连接(C4)技术可以实现高速、高密度、小外形的封装，因此日渐得到关注和发展。然而，随着C4技术的普及，C4封装内由于芯片和基板间热膨胀系数(CTE)的不匹配而引起的可靠性问题将日益突出，为此研究者在C4封装中引入芯下材料来提高C4封装的可靠性。文中侧重于制造工艺、可靠性以及最新进展对C4技术进行介绍，并且对C4技术中所用的芯下材料的力学性能及其对C4封装可靠性影响的研究现状进行评述。     

玻璃基板无损剥离的建模与分析

化学机械抛光(CMP)是玻璃基板加工的一道重要工序,目前对玻璃基板的夹持方式普遍采用吸附垫进行吸附,抛光后需要将玻璃基板剥离(或称为卸片)。针对自动化剥离过程中玻璃基板容易碎裂造成经济效益损失,基于断裂力学理论,对玻璃基板的剥离过程进行了建模与分析,揭示了玻璃基板剥离与碎裂之间的竞争机制,并定义了竞争指数R来表征剥离与碎裂的竞争行为。为了量化竞争指数R,1)以宏观能量守恒为依据,设计并开展剥离实验,获得了玻璃基板与吸附垫界面的临界粘结断裂能;2)采用有限元软件ANSYS结合虚拟裂纹闭合技术(VCCT)仿真计算得到界面剥离能量释放率。应用竞争指数R,评估玻璃基板厚度与剥离速度对剥离与碎裂竞争行为的影响,确定了抛光工艺中常用的两种厚度的玻璃基板的临界剥离速度,最后开展玻璃基板的自动化剥离试验,试验结果表明本文提出的竞争机制及临界剥离速度的计算方法对玻璃基板无损剥离的自动化实现具有一定的指导意义。     

纳米银微焊点阵列的超快激光图形化沉积及其芯片封装研究

随着集成电路芯片封装向小型化、集成化方向的不断发展,无铅锡基钎料性能已不能满足目前集成电路封装的需求.本文提出了一种脉冲激光图形化沉积纳米金属颗粒制备小尺寸、细节距焊点阵列的工艺,用于替代集成电路芯片封装中传统锡基焊点.采用图形化沉积的纳米银焊点阵列连接Si芯片及覆铜陶瓷(DBC)基板来验证该工艺在集成电路倒装芯片封装...     

面向IC封装的显微视觉定位系统

为了实现IC封装设备视觉定位系统的整体构建,在分析面向IC封装的视觉系统的基础上,对显微成像系统、视觉系统标定以及模式识别定位算法进行了研究。针对面向IC封装的视觉定位系统的特点,搭建视觉系统,并进行了系统标定。用Matlab编写了模式识别定位软件界面,并进行了相关试验研究。实验分析了系统的定位精度和稳定性,实验结果表明,标定误差基本满足正态分布,XY方向的平均误差为0.0145和0.1065pixel,方差为0.3103和0.2775pixel。经过对视觉定位系统的标定,并使用某种IC芯片进行实际定位实验,结果显示匹配定位误差可以控制在3.5μm(0.4pixel)以内。该视觉系统实现了亚像素级的定位精度。     

一种基于AlN多层HTCC基板的SiP模块封装设计

为了满足工作频带宽、传输速率高、功耗大、集成度高的要求,开展一种基于AlN多层高温共烧陶瓷（High Temperature Co-fired Ceramic, HTCC）基板的系统级封装（System in Package, SiP）模块封装设计研究。通过设计制作AlN多层HTCC基板、SiP模块封装结构电性能仿真、模块安装结构热力学仿真设计、组装工艺优化等系列研究工作研制出了小型化、轻量化、高集成的SiP模块。环境试验结果表明该模块具有良好的可靠性。该研究结果可为小型化、轻量化、高集成的SiP模块设计研发提供借鉴。     

BGA植球机三维计算机辅助模块化设计

球栅阵列(BGA)封装能很好地满足IC芯片引脚数越来越多、IC尺寸越来越小的要求,成为新的IC封装技术主流。分析BGA植球机的工艺过程和工作原理,完成该设备的机械部分设计。在对BGA全自动植球机进行运动仿真后,可以确定各个机构运动正常。所设计的STAR-04Z型BGA全自动植球机产品样机能够满足市场的功能需求。     

电磁MEMS微镜贴片封装残余应力测试与特性研究北大核心CSCD

针对在MEMS微镜贴片封装过程中引入残余应力的问题,文中基于层合梁理论,研究了MEMS微镜芯片贴片热变形的影响因素及其变化规律;此外,基于欧拉-伯努利梁模型和有限元分析,建立了轴向应力与微镜Piston模态的谐振频率间的解析关系;实验验证了不同封装参数影响下微镜样品的Piston模态频率偏移程度,评估了影响样品中残余应力水平的因素及其变化趋势,结果与理论分析、有限元仿真一致,为MEMS微镜贴片封装优化设计提供了技术支撑。     

微波功率组件基板热阻研究

基于热阻解析模型,对微波功率组件基板热阻进行了理论分析,获得无量纲基板参数与基板热阻的关系曲线。借助于数值仿真计算了基板厚度对微波功率组件芯片温度的影响,并根据理论分析模型,分别测试了不同热耗和不同基板厚度条件下的芯片温度,分析了厚度、热耗和芯片温度的关系。试验结果与理论分析一致,研究结果有助于改善高热流密度微波功率组件的芯片性能。     

基于模具对IC封装体内部气泡的研究

由于裸芯片的细小化,加之芯片封装体的"轻、小、短、薄",封装体内部气泡易产生.根据芯片的SOP结构,通过改变树脂种类及树脂丸与模具料筒间的空隙量,分析和研究影响芯片封装体内部气泡产生的主要因素,为实际生产过程中提供科学依据.     

芯片的制造过程

芯片制造已经成为国民经济发展的关键,我国的芯片产业已显示出设计、制造和封装三业并举的局面,集成电路技术已进入了同行业的国际主流技术领域。本文介绍了芯片从开始单晶制作到最后芯片封装的主要工艺过程。