博士學(xué)位論文 熱超聲倒裝鍵合界面運(yùn)動(dòng)與界面性能 的生成規(guī)律研究 作者姓名： 王福亮 學(xué)科專業(yè)： 機(jī)械電子工程 學(xué)院 （系、 所） ： 機(jī)電工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 鐘 掘 院 士 中 南 大 學(xué) 2007 年 06 月 分類號(hào) 密級(jí) 博士學(xué)位論文 熱超聲倒裝鍵合界面運(yùn)動(dòng)與界面性能的生成規(guī)律研究 者姓名： 王福亮 學(xué)科專業(yè)： 機(jī)械電子工程 學(xué)院 （系、 所） ： 機(jī)電工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 鐘 掘 院 士 論文答辯日期 答辯委員會(huì)主席 中 南 大 學(xué) 2007 年 06 月 博士學(xué)位論文 摘要 - I - 摘 要 熱超聲倒裝鍵合是最具潛力的新一代微電子封裝技術(shù)之一，目前尚缺乏對(duì)鍵合機(jī)理的透徹分析與掌握。如 何通過(guò)優(yōu)化工藝、運(yùn)動(dòng)與能量參數(shù)來(lái)獲得高性能的倒裝鍵合界面、提高多 點(diǎn)鍵合的可靠性，以形成成套的高效率、高精度、高質(zhì)量的工業(yè)技術(shù)與裝備，對(duì)微 電子制造仍然是重大挑戰(zhàn)。本文針對(duì)熱超聲倒裝鍵合界面運(yùn)動(dòng)與 界面性能生成規(guī)律進(jìn)行研究， 所開展的研究工作和主要認(rèn)識(shí)有： 1) 建立了熱超聲倒裝鍵合試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在超聲、熱、力等作用下完成倒裝鍵合工藝； 建立了在線參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 對(duì)鍵合過(guò)程的超聲功率、鍵合力、工具傳遞的超聲振動(dòng)和芯片振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行采集；研究了“鍵合參數(shù)界面運(yùn)動(dòng)鍵合界面微觀結(jié)構(gòu)鍵合性能” 的鍵合過(guò)程和鍵合質(zhì)量的評(píng)估原理。 2) 發(fā)現(xiàn)鍵合過(guò)程工具 /芯片界面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)由速度相同演變?yōu)椤八俣确蛛x” ，突變點(diǎn)在啟動(dòng)后數(shù)毫秒間，說(shuō)明工具載有的能量在兩個(gè)階段有不同形式的轉(zhuǎn)化與耗散。在“突變點(diǎn)”處鍵合界面已形成初始強(qiáng)度，而“速度分離” 后工具載有的能量一部分通過(guò)金球的 流變傳遞到鍵合界面系統(tǒng)繼續(xù)增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度；另一部分消耗于工具 /芯片界面的摩擦磨損。據(jù)此過(guò)程特征，提出以“速度分離”點(diǎn)為 界的變鍵合參數(shù)工藝思路。 3) 分析了芯片振動(dòng)信號(hào)的頻率組成， 發(fā)現(xiàn)其三倍頻信號(hào)是 “速度分離”的特征信號(hào)，提出以三倍頻信號(hào)控制鍵合過(guò)程的思路。 4) 從 觀察到了環(huán)狀鍵合界面。通過(guò)建立了鍵合界面的有限元模型，研究了鍵合過(guò)程中不同狀態(tài)下鍵合界面 的應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)接觸面邊緣的應(yīng)力遠(yuǎn)大于其它位置，更有利于氧化膜去除、驅(qū)動(dòng)原子擴(kuò)散，并形成鍵合強(qiáng)度，這是產(chǎn)生環(huán)狀鍵合界面的重要原因。 5) 獲得了鍵合機(jī)理的初步認(rèn)識(shí)：在鍵合力和超聲作用下，金凸點(diǎn) /焊盤中產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百 應(yīng)力，使金凸點(diǎn)和焊盤中的位錯(cuò)大量增殖、產(chǎn)生塑性流變、接觸界面的氧化膜破裂；金凸點(diǎn) /焊盤在塑性流動(dòng)過(guò)程中，將氧化膜碎片帶出接觸面，使鍵合界面裸露的金和銀原子直接接觸，一方面通過(guò)電子云共享形成化學(xué)鍵（金屬鍵） ，另一方面形成物理鍵（范德華力吸附） ，生成最初始的鍵合強(qiáng)度。在 持續(xù)的循環(huán)應(yīng)力加載和卸載過(guò)程中，位錯(cuò)密度迅速增加，接觸面逐步擴(kuò)大；同時(shí)，鍵合界面原子在高達(dá)數(shù)百力作用下，獲得了足夠的能量，越過(guò)勢(shì)壘，沿著接觸界面、晶界和位錯(cuò)等短路通道，在數(shù)百毫秒時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)互 擴(kuò)散，生成數(shù)百納米厚的原博士學(xué)位論文 摘要 - 子擴(kuò)散區(qū)域，形成可靠的鍵合強(qiáng)度。 6) 研究了鍵合參數(shù)對(duì)工具末端振幅、芯片振幅、倒裝芯片鍵合強(qiáng)度以及鍵合界面微觀結(jié)構(gòu)的影響，觀測(cè)到不同的鍵 合失效形式。獲得了鍵合界面強(qiáng)度的新認(rèn)識(shí)： “鍵合強(qiáng)度”是鍵合區(qū)域各結(jié)構(gòu)組成的強(qiáng)度，而不僅是金凸點(diǎn) /基板焊盤界面的強(qiáng)度。 7) 提出了新型鍵合參數(shù)加載方案：在鍵合初期采用大超聲功率、小鍵合力，有利于金凸點(diǎn)和焊盤界面的相 對(duì)運(yùn)動(dòng)，提高鍵合接觸面氧化膜的去除效率，形成更多的原子裸露直接接觸界面；之后，采用小超聲功率、大鍵合力，以提高接觸界面的應(yīng)力場(chǎng)梯度，促進(jìn)界面間的原子互擴(kuò)散，同時(shí)降低超聲振動(dòng)對(duì)金凸點(diǎn)、焊盤等鍵合 區(qū)域面組成部分的疲勞破壞，提高鍵合區(qū)域的整體強(qiáng)度。試驗(yàn)驗(yàn)證了這種 新型鍵合參數(shù)加載方法的有效性。 關(guān)鍵詞 熱超聲倒裝鍵合，鍵合過(guò)程監(jiān)測(cè)，運(yùn)動(dòng)傳遞，鍵合機(jī)理，鍵合強(qiáng)度，鍵合可靠性，新型倒裝鍵合工藝，原子擴(kuò)散 博士學(xué)位論文 is a At is its a to a of by its to , as 1) A by at on on a is 2) of to at is is is to to is by at a on is 3) of It on is 博士學(xué)位論文 4) A of a FE of to at of is in a is a of 5) on of at u/Ag in by by at at to in 6) of on of of It is of in of 7) A is At to of to to to at to to of by 博士學(xué)位論文 V - 士學(xué)位論文 博士學(xué)位論文 目錄 錄 摘 要 . 錄 .一章 綜述 . 1 研究的工程背景 . 1 內(nèi)外微電子封裝技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 . 1 電子封裝裝備產(chǎn)業(yè) . 2 片互連技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 . 2 線鍵合 (術(shù) . 3 帶自動(dòng)焊 (術(shù) . 5 裝芯片鍵合 (術(shù) . 7 種芯片互連技術(shù)比較 . 8 內(nèi)外熱超聲倒裝鍵合技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 . 9 超聲倒裝鍵合應(yīng)用研究 . 10 合參數(shù)對(duì)鍵合強(qiáng)度和可靠性影響研究 . 10 超聲倒裝鍵合機(jī)理和裝備研究 . 11 聲功率和鍵合力加載曲線研究及其他 . 13 文的課題來(lái)源、研究?jī)?nèi)容、研究方法 . 13 題來(lái)源 . 13 究?jī)?nèi)容和研究思路 . 13 第二章 熱超聲倒裝鍵合實(shí)現(xiàn)及基本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測(cè) . 17 超聲倒裝鍵合試驗(yàn)臺(tái) . 17 超聲倒裝鍵合工藝介紹 . 17 超聲倒裝鍵合試驗(yàn)臺(tái)組成與功能 . 18 超聲倒裝試驗(yàn)材料體系 . 22 超聲倒裝鍵合過(guò)程 . 23 超聲倒裝鍵合過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng) . 25 測(cè)系統(tǒng)硬件構(gòu)成 . 25 測(cè)系統(tǒng)軟件構(gòu)成 . 29 合過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和分析 . 32 聲功率信號(hào)采集和分析 . 32 裝工具 /芯片振動(dòng)信號(hào)采集和分析 . 35 他信號(hào)采集和分析 . 37 結(jié) . 39 第三章 外場(chǎng)作用下熱超聲倒裝鍵合系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)與能量傳遞分析 . 41 博士學(xué)位論文 目錄 述 . 41 聲振動(dòng)在變幅桿和倒裝工具中的傳遞研究進(jìn)展 . 41 聲在倒裝界面間的傳遞研究進(jìn)展 . 41 聲在變幅桿 /工具中的傳遞 . 42 聲在變幅桿中的傳遞 . 42 聲在倒裝工具中的傳遞 . 45 聲在倒裝界面間的傳遞過(guò)程 . 48 裝工具 /芯片界面的運(yùn)動(dòng)傳遞過(guò)程 . 48 裝工具 /芯片界面的運(yùn)動(dòng)傳遞模型 . 59 結(jié) . 61 第四章 熱超聲倒裝鍵合界面結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度 . 63 凸點(diǎn) /焊盤界面的有限元模型及其求解 . 63 凸點(diǎn) /焊盤界面的有限元模型 . 63 型求解 . 65 合力和超聲振動(dòng)對(duì)鍵合面應(yīng)力分布的影響 . 67 合力對(duì)鍵合面應(yīng)力分布的影響 . 68 聲振動(dòng)對(duì)鍵合面應(yīng)力分布的影響 . 71 合強(qiáng)度的形成機(jī)理 . 73 合材料表面氧化膜的去除機(jī)理 . 73 合界面原子擴(kuò)散的機(jī)理 . 78 合強(qiáng)度的形成機(jī)理 . 81 結(jié) . 82 第五章 熱超聲倒裝鍵合工藝優(yōu)化 . 83 聲功率對(duì)熱超聲倒裝鍵合的影響 . 83 聲功率的動(dòng)態(tài)變化特征 . 83 聲功率對(duì)工具末端和芯片振幅及鍵合強(qiáng)度的影響 . 84 合力對(duì)熱超聲倒裝鍵合的影響 . 87 裝鍵合系統(tǒng)中的鍵合力施加裝置原理 . 87 合力對(duì)工具末端和芯片振幅的影響 . 88 合力對(duì)倒裝界面微觀形貌的影響 . 89 合時(shí)間對(duì)熱超聲倒裝鍵合的影響 . 90 合時(shí)間對(duì)工具末端和芯片振幅的影響 . 91 合時(shí)間對(duì)熱超聲倒裝鍵合強(qiáng)度的影響 . 91 合時(shí)間對(duì)倒裝界面微觀形貌的影響 . 92 聲作用下金凸點(diǎn)的變形測(cè)量 . 93 凸點(diǎn)變形率的測(cè)量 . 93 凸點(diǎn)在超聲作用下的相對(duì)變形規(guī)律 . 95 超聲倒裝鍵合的典型失效形式 . 96 凸點(diǎn)的兩種典型失效形式 . 96 片表面磨損 . 97 博士學(xué)位論文 目錄 片焊盤破碎 . 97 合界面鍵合強(qiáng)度低 . 98 合界面失效的多種內(nèi)涵 . 99 型熱超聲倒裝鍵合工藝的提出 . 99 梯式鍵合參數(shù)加載過(guò)程對(duì)倒裝鍵合強(qiáng)度的影響 . 100 梯式鍵合力加載試驗(yàn) . 100 梯式超聲功率加載 . 104 梯式鍵合參數(shù)加載優(yōu)化 . 108 結(jié) . 108 第六章 全文總結(jié) . 109 參考文獻(xiàn) . 111 致 謝 . 121 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文和參與科研情況 . 122 博士學(xué)位論文 目錄 第一章 緒論 1第一章 綜述 研究的工程背景 內(nèi)外微電子封裝技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 微電子技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)之一， 其發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要標(biāo)志，也影響著國(guó)家的科技、經(jīng)濟(jì)和軍事在世界上的地位。為此，各國(guó)為爭(zhēng)奪微電子技術(shù)的制高點(diǎn)和主動(dòng)權(quán)，都加強(qiáng)了科研和資金的投入，尤以美、日、歐、韓和中國(guó)臺(tái)灣為甚。 目前微電子產(chǎn)業(yè)主要分為芯片設(shè)計(jì)業(yè)、芯 片制造業(yè)、封裝業(yè)。微電子產(chǎn)業(yè)之所以能夠飛速發(fā)展， 封裝技術(shù)的進(jìn)步和支持起到了極為關(guān)鍵的作用。 隨著電路集成度增加，微電子封裝正日益成為微電子產(chǎn)業(yè)的瓶頸。 封裝是指將 成電路）芯片可靠地安裝到一定的外殼上，芯片上的電路用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過(guò)印制板上的導(dǎo)線與其他器件連接。封裝外殼起著保護(hù)芯片、增強(qiáng)電熱性能、溝通芯片內(nèi)部電路與外部電路等作用。芯片封裝起到了組合 片和其它電路、傳輸電源、傳遞訊號(hào)、提供散熱及承載并保護(hù) 片的作用。因此封裝是 片成為具有使用價(jià)值的微電子器件的橋梁。 隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，封裝技術(shù)也不斷更新?lián)Q代。如表 1裝技術(shù)依次經(jīng)歷了雙列直插式封裝（ 、小型方塊平面封裝（ 、球柵陣列封裝（ 倒裝芯片封裝（ 、芯片尺寸封裝（ 、多芯片組件（ 發(fā)展。 表 1電子封裝技術(shù)的演變 單芯片封裝 片互連 引線鍵合 倒裝芯片 多芯片封裝 陶瓷 薄膜 者陶瓷上薄膜 前 裝正朝低功耗、小尺寸、高速度、高集成度方向發(fā)展，以滿足芯片頻率更高、引腳數(shù)增多、引腳間距減小、可靠性提高的發(fā)展需求。隨著微電子產(chǎn)品向輕、小、高速化、數(shù)字化和多功能化的發(fā)展，微電子封裝技術(shù)將越來(lái)越成為微電子產(chǎn)業(yè)的重要組成，而且面臨著更多、更高的挑戰(zhàn)，先進(jìn)封裝技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，同時(shí)也孕育著更大的發(fā)展。 微電子封裝是一項(xiàng)市場(chǎng)需求量大、需要投 入資金較少、收益快、發(fā)展迅速的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。在微電子產(chǎn)業(yè)鏈中，芯片設(shè)計(jì)、芯片制造、芯片封裝的資金投入比呈 1:100:10博士學(xué)位論文 第一章 緒論 2的關(guān)系?？v觀世界半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，一些后起的國(guó)家和地區(qū)，如韓國(guó)、馬來(lái)西亞、新加坡以及中國(guó)臺(tái)灣，都是先以封裝業(yè)為主體而發(fā)展起來(lái)的，在當(dāng)前中國(guó)微電子產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱的情況下，通過(guò)發(fā)展封裝產(chǎn)業(yè)來(lái)帶動(dòng)微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是一條值得中國(guó)微電子產(chǎn)業(yè)借鑒的發(fā)展道路1 電子封裝裝備產(chǎn)業(yè) 具有高性能微電子先進(jìn)制造裝備的設(shè)計(jì)制 造能力，決定著微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度與水平。 我國(guó)的半導(dǎo)體市場(chǎng)巨大。例如：身份證 的正式應(yīng)用，將是數(shù) 10 億計(jì)的數(shù)量、數(shù)百億計(jì)的 售額，讀卡機(jī)及其系統(tǒng)更是成倍的產(chǎn)值；數(shù)字電視傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，全國(guó)將有數(shù)億臺(tái)電視機(jī)更新?lián)Q代，所有編錄、傳輸裝置也都全部換代，產(chǎn)品產(chǎn)值將是千億量級(jí)。西方專家和一些大公司認(rèn)為：中國(guó)大陸將在 10 年內(nèi)成為全球最大的半導(dǎo)體消費(fèi)市場(chǎng)。 目前我國(guó)集成電路的自給率不到 15%。 2002 年中國(guó)消耗的半導(dǎo)體占世界半導(dǎo)體器件市場(chǎng)份額的 生產(chǎn)的半導(dǎo)體器件只占世界產(chǎn)值的 中國(guó)所消費(fèi)的半導(dǎo)體器件產(chǎn)品中 85%依靠進(jìn)口。一個(gè)重要原因是中國(guó)的微電子產(chǎn)業(yè)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化不到 1%。以微電子封裝中的引線鍵合裝備為例：世界頂級(jí)的設(shè)備提供商 2005 年銷售額超過(guò) 5 億美元，可提供每秒 15 線以上的全自動(dòng)引線鍵合設(shè)備；而中國(guó)大陸僅有少數(shù)幾家企業(yè)能生產(chǎn)引線鍵合設(shè)備，其銷售額還不到 2000 萬(wàn)元人民幣，且僅能提供手工操作的半自動(dòng)引線鍵合機(jī)。因此，即便中國(guó)能設(shè)計(jì)出高性能 落后的裝備技術(shù)也生產(chǎn)不了，這就是中國(guó)的半導(dǎo)體器件大多進(jìn)口的一個(gè)重要原因4,5。 中國(guó)大陸是世界上最大的消費(fèi)市場(chǎng)，但不 是中國(guó)人的市場(chǎng)。為了改變這種狀況，就必須發(fā)展中國(guó)自己的微電子裝備產(chǎn)業(yè)，也包括微電子封裝裝備產(chǎn)業(yè)。 進(jìn)行自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的封裝工藝及其裝備技 術(shù)研究，對(duì)于中國(guó)微電子整體發(fā)展，無(wú)疑具有重要意義。目前我國(guó)的微電子封裝裝備技術(shù)面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇，需要研究工作的不失時(shí)機(jī)的支持。以主流的超聲鍵合技術(shù)為例，雖然已有幾十年發(fā)展史，但對(duì)于超聲鍵合的機(jī)理，較多的是依靠試驗(yàn)規(guī)律來(lái)確定鍵合工藝參數(shù)。隨著芯片封裝密度的增加， 這種解決方法已難以適應(yīng)要求。 我國(guó)若能在學(xué)習(xí)目前工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，深入鍵合機(jī)理研究，獲得超聲鍵合機(jī)理的新認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新工藝和裝備技術(shù)，以推動(dòng)微電子封裝技術(shù)的跨越式發(fā)展。 片互連技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 互連技術(shù)是微電子封裝中的關(guān)鍵技術(shù)之一 ，一般分為內(nèi)引線連接和外引線連接。內(nèi)引線連接即本文所指的芯片互連技術(shù)，主要用于微電子器件中芯片間或芯片與引線博士學(xué)位論文 第一章 緒論 3框架間的互連，也稱芯片微互連；外引線連接是指經(jīng)封裝后的芯片或者獨(dú)立器件與印刷電路板（ 盤間的連接。 芯片互連技術(shù)是影響微電子封裝產(chǎn)品質(zhì)量 、效率和成本的核心技術(shù)，主要包括引線鍵合 (載帶自動(dòng)焊 (倒裝芯片鍵合 (種技術(shù)6,7。 線鍵合(術(shù) (1) 引線鍵合 引線鍵合（ 寫為 最成熟的芯片互連技術(shù)，也是當(dāng)前最重要的微電子封裝技術(shù)，目前 95%以上的芯片均采用這種技術(shù)進(jìn)行封裝，滿足了從消費(fèi)類電子產(chǎn)品到高性能大型芯片的需求8。 引線鍵合技術(shù)又分三種：熱壓鍵合、熱超聲引線鍵合和超聲引線鍵合。 1) 熱壓鍵合（ 9： 熱壓鍵合是最早用于芯片互連的方法，目 前已很少采用。熱壓鍵合是指通過(guò)壓力與加熱，使鍵合區(qū)產(chǎn)生塑性變形，實(shí)現(xiàn)引線與焊盤的連接。熱與壓力通過(guò)毛細(xì)管形或楔形工具，直接或間接地，以靜載或脈沖方式施加到鍵合區(qū)。該方法對(duì)鍵合金屬表面和鍵合環(huán)境的潔凈度要求十分高，且只有金絲才能保證鍵合可靠性。對(duì)于 合系統(tǒng)，則易形成“紫斑” ，減弱焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度。 2) 熱超聲引線鍵合（ 10 熱超聲引線鍵合是指在熱壓鍵合基礎(chǔ)上引 入超聲，在超聲作用下將引線軟化，可降低鍵合溫度和壓力、提高鍵合強(qiáng)度。 典型的熱超聲引線鍵合過(guò)程如圖 1先，直徑 25m 的金絲通過(guò)毛細(xì)管劈刀中心的孔穿出；由電弧放電將金絲伸出部分熔化 ，并在表面張力作用下形成直徑 50圖 1-2(a)；然后，劈刀往下運(yùn)動(dòng)，使金球和焊盤接觸；超聲能和鍵合力通過(guò)劈刀加在鍵合界面上， 同時(shí)在溫度的共同作用下， 將金球鍵合到芯片焊盤上 , 如圖 1-2(b)；然后，劈刀升起將引線拉起，在空間中形成