金丝球焊近壁键合技术

在引线键合工艺应用中,由于球焊键合工艺具有键合方向灵活、键合速度快等优势,在半导体芯片的封装互联领域被广泛应用。针对金丝球焊键合工艺中的近壁键合问题进行了研究,从键合方式、劈刀设计两个方面进行优化、改进,制定了两种不同的解决方案,并分析了两种方案的应用局限性。

硅基钽酸锂异质晶圆键合工艺研究

5G移动通信的发展对声表面波滤波器提出了高频、小型化、集成化的要求。相较于传统压电体单晶材料,采用硅基压电单晶薄膜材料制备的声表面波滤波器具有高频、低插入损耗、高温稳定性等优势,是高性能声表面波器件发展的核心基础材料。Smart-Cut^(TM)是制备硅基压电单晶薄膜材料的主要方法,键合工艺是其中的核心工序,键合质量决定了硅基压电单晶薄膜晶圆材料的质量,并影响器件性能。本文通过低温直接键合工艺,对等离子活化、兆声清洗、预键合、键合加固四道工序展开优化,最终实现了键合强度高达1.84 J/m^(2)、键合面积超过99.9%的高质量硅基钽酸锂异质晶圆键合。

Chiplet晶圆混合键合技术研究现状与发展趋势

半导体产业对国防安全和国民经济发展意义重大,高端半导体装备也是国外对华技术封锁的重点领域。混合键合技术作为微电子封装和先进制造领域的一种新型连接技术,已经成为实现芯片堆叠、未来3D封装的一项关键技术,是实现高性能、高密度和低功耗芯片设计的关键技术之一。分析了Chiplet晶圆混合键合技术应用背景,梳理了典型工艺及设备研究的现状,并展望了晶圆混合键合技术发展趋势。

黏结剂辅助微流控芯片异种键合及可行性探究

以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、铝合金Al5052为研究对象,采用黏结剂与热压键合相结合的方法,分别进行了PMMA-PS、PMMA-Al5052异种键合正交实验。旨在探讨键合层厚度及表观形貌的变化规律,研究键合温度、压力和时间对异种键合强度的影响。结果表明:键合层厚度随温度和压力的增大而减小,而时间对键合层厚度无明显影响;聚酰亚胺(PI)辅助PMMA-PS和PMMA-Al5052的键合强度受时间影响最大,温度次之,压力最小;而溶解PMMA粉末的丙酮溶液[丙酮溶液(PMMA)]辅助PMMA-Al5052的键合强度受压力影响最大,温度次之,时间最小;同参数下PMMA-PS的键合强度远高于PMMA-Al5052。分别确立了异种键合的最优参数并得到了对应的键合强度:PI辅助PMMA-PS键合的最优参数为105℃,50 min,2.5 MPa,对应键合强度0.87 MPa;PI辅助PMMA-Al5052键合的最优参数为110℃,50 min,1.25 MPa,对应键合强度0.21 MPa;丙酮溶液(PMMA)辅助PMMA-Al5052键合的最优参数为110℃,2.5 MPa,20 min,对应键合强度0.41 MPa,均高于正交实验设计方案中的所有结果。参数一定时,PMMA-PS的键合强度远高于PMMA-Al5052的键合强度。采用丙酮溶液(PMMA)辅助键合PMMA-Al5052时,键合强度高于PI辅助的键合强度。

多层堆叠中晶圆级金金键合的可靠性提升

基于电学互联的贯穿硅通孔技术和高精度金金圆片键合技术,开发了一套可应用于制备三维集成射频(RF)收发系统的工艺,并利用反应离子刻蚀机(RIE)中氧气加六氟化硫的键合前处理技术解决了多层堆叠中键合强度较弱的问题。经过扫描电镜(SEM)观察和分析,键合强度弱确认为芯片贴装过程中晶圆表面沾污所致。传统的湿法前处理有一定的局限性,氧气等离子体方法去污能力较弱,均无法用于去除遗留的沾污。利用反应离子刻蚀机氧气加六氟化硫的前处理方式进行键合前处理,不仅增强了去污能力,而且将旧金表面低活性的金层去除,露出干净、活性高的新金表面,有效提升了金金键合的强度,为多层金金键合提供了一种有效的键合前处理方法。

金薄膜辅助玻璃与砷化镓阳极键合

采用磁控溅射技术在砷化镓(GaAs)表面沉积一层厚度为1μm的金薄膜,将其作为中间层成功实现了Borofloat(BF33)玻璃与GaAs的连接。阳极键合实验结果表明键合电流在短时间内达到峰值,之后迅速降低并且稳定在一个很小的数值范围内,且键合电流峰值随着键合温度与键合电压的升高而增大。通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对玻璃-GaAs键合界面进行微观形貌观察。结果表明键合界面良好,在400℃、700 V的条件下,玻璃-GaAs键合强度可达到1.53 J/m^(2),且键合强度随着键合温度与键合电压的升高而增大。

圆片级封装中的二次硅-玻璃键合工艺研究

针对MEMS谐振器真空封装更高的要求,将盖帽硅片、器件硅片(Si)和玻璃衬底通过二次Si—玻璃(D-SOG)阳极键合工艺,实现了MEMS谐振器加工的同时,完成MEMS谐振器的6in圆片级高真空度封装。通过优化两次键合工艺参数,第二次键合温度由第一次键合温度350℃调整到380℃,键合压力分别为800N(第二次键合)和600N(第一次键合);优化第二次键合封装密封环的键合面积宽度为700μm;达到良好的MEMS谐振器封装效果,器件的泄漏速率为3.85×10^(-9) Pa·m^(3)/s。该研究可以有效降低加工成本和工艺难度、提高器件可靠性,满足了MEMS器件对封装密封性的要求,后续可广泛应用到基于D-SOG的MEMS谐振器封装工艺中,具有良好的应用前景。

用于压电单晶薄膜晶圆制备的键合面清洗技术研究

高性能薄膜声表面波滤波器对压电单晶薄膜晶圆键合面的洁净度提出了严苛的要求。目前采用的常规清洗技术对因离子注入后而残留的大量颗粒等污染物的去除效率低,导致键合晶圆存在较多气泡或者空洞,因此提出了一种采用硫酸与过氧化氢混合溶液(SPM)清洗和新型复合清洗液刷洗清洗技术的两步清洗法。采用此工艺后,晶圆表面的颗粒数由离子注入后的148000降到23,有效去除了晶圆键合面沾污、颗粒等污染物,显著提高了键合晶圆的质量。该清洗技术已成功应用于压电单晶薄膜晶圆LTOI材料的制备。

应用于三维集成的金铟键合技术研究

由于埋置芯片耐受温度的限制,圆片级低温键合技术是MEMS三维集成的关键工艺之一。金属In凭借自身熔点低而金属间化合物(Intermetallic compound, IMC)熔点高且性质稳定的特点,使得Au-In固液扩散键合法成为颇具前景的低温键合技术之一。本文采用Au-In二元共晶化合物进行圆片级低温键合,在键合衬底上先后制备了0.4μm的SiO/SiN介质层、3.5μm的Au层和1.7μm的In层,然后分别研究了先预加热键合极板再贴合圆片和先贴合再加热两种键合方式。电性能测试、An/In组分分析和剪切试验结果表明:先贴合再加热的键合样品芯片形成了性质稳定的IMC组分,具有良好的电学互连特性稳定性,且剪切强度达到100 MPa。一定样本容量的实验结果证明隔绝键合前Au-In的相互扩散能够有效增强键合的可靠性。

半导体晶圆键合加压精确控制方法

晶圆键合质量受键合压力控制精度显著影响。对于本身有一定翘曲度的晶圆,容易在键合过程中产生非预期位移,造成键合工艺偏差,甚至碎片。因此,提出了一种基于模糊PID(比例-积分-微分)和RBF(Radial Basis Function)径向基函数神经网络算法的半导体晶圆键合压力控制方法。由于加入了模糊PID和深度学习算法控制,使得键合工艺过程响应更迅速,控制更精准,且安全性更高。采用铝样片进行加压试验,结果表明RBF神经网络模糊PID控制算法能够满足压力精度为±1%的控制需求。

硅/硅低温直接键合的工艺调控及应用

为了满足微机电系统(MEMS)对高强度、低成本、灵活性好、通用性强硅/硅低温直接键合技术的迫切需求,开展基于氧等离子活化的硅/硅低温直接键合工艺调控方法及应用研究。通过正交实验分析了活化功率、活化时间、氧气流量对键合率和键合强度的影响,优化了氧等离子活化工艺,350℃氮气保护下退火2 h后,键合率为98.52%,平均抗剪切强度为20.2 MPa,键合界面连续无空洞,且形成了3.58 nm的非晶氧化层,表明实现了分子间的键合。最后,采用三层低温硅/硅键合工艺实现了微型振动能量收集器的限幅封装,成功将能量收集器的频带拓展到215 Hz~229 Hz。结果表明,该硅/硅键合工艺满足MEMS器件的加工及使用要求,其工艺调控方法具有较好的通用性。

晶圆键合设备对准和传送机构研究综述

随着微机电系统和3D集成封装的快速发展,多功能高性能器件、小体积低功耗器件、耐高温耐高压器件以及小型化高集成度器件是目前封装领域研究的重点。晶圆键合设备对于这些高性能、多功能、小型化、耐高温、耐高压、低功耗的集成封装器件的量产起着至关重要的作用,因此对晶圆键合设备及其对准机构和传送机构的研究也十分重要。介绍了常用的晶圆键合设备与晶圆键合工艺、对准机构和传送机构的工作原理以及主要的晶圆键合设备厂商现状,同时对晶圆键合设备对准和传送机构的发展趋势进行展望,其未来将朝着高精度、高对准速度、高吸附度和高可靠性的方向发展。

晶圆的临时键合工艺

随着摩尔定律的物理扩展,3D集成已经进入主流半导体制造,需要超薄晶圆(小于50μm)来配合多种后端工艺,半导体先进的封装解决方案趋势向着减少空间占用的情况下实现高密度集成。为降低减薄工艺中的碎片率,通常采用临时键合及解键合(Temporary Bonding and De-bonding)技术,在背面减薄前,采用临时键合的方式将晶圆转移到载片上为其提供强度支撑,完成背面减薄及其他双面工艺后进行解键合。该技术在硅基TSV 互连工艺和3D 堆叠集成封装领域应用广泛。无论是晶圆的深度减薄还是先进封装,都离不开可靠的临时键合解决方案。面向集成电路3D封装行业对临时键合设备的迫切需求,在市场应用需求分析基础上,本文重点就晶圆的临时键合技术展开研究。

镍钯金表面引线键合工艺的可靠性及应用

通过模拟前道工序的实际装配环境,研究了镀镍钯金基板在不同工况条件和不同钯/金层厚度情况下对表面键合强度的影响。结果表明,通过280℃高温回流后,镀层表面会出现少量Cu元素,但对键合强度影响不大。Au/Pd镀层厚度增加均有利于提高可键合性。在本文的镀层体系中,均可完成高可靠性键合。通过150±3℃,168 h的高温贮存试验表明,Pd和Au界面均可作为键合界面,高温贮存前后平均键合强度均在11 cN以上,满足标准且非常稳定。

基于键合图理论的斜盘多柱塞泵建模与仿真

为了研究9个柱塞组合而成的斜盘式轴向柱塞泵的性能特征,应用键合图理论,通过AMESim仿真平台建立模型,研究斜盘倾角和配流盘窗口前端的减振槽对柱塞泵流量脉动的影响,分析扩展模型中斜盘所受的力矩。结果表明:柱塞泵斜盘倾角越大,输出的流量越多,流量脉动幅度越大;配流盘窗口的减振槽形状和大小越合理,流量脉动越小;用AMESim仿真平台中的接收和发射元件可以扩展模型,获得斜盘所受的力矩曲线。

晶圆键合设备中的加热盘设计

介绍了晶圆键合设备的加热盘,试验分析了该机构对晶圆键合质量的影响。结果表明,优化后的加热盘显著提升了晶圆键合的温度均匀性和稳定性,进而提升了键合质量和效率。研究增进了对加热盘设计在晶圆键合设备中应用效果的理解,为提高晶圆键合质量、推动技术创新提供了理论支撑和实践指导。

基于S形速度曲线的键合头运动控制系统研究与分析

根据用户工艺需求,针对全自动芯片键合设备的运动控制模块以及键合头子模块开展需求分析,结合典型试验,设计出基于S形速度曲线的键合头运动控制系统,根据S形速度曲线重新规划了键合头的运动轨迹,使其对芯片键合周期缩短的同时也保证了键合精度。

SiC功率模块引线键合参数优化与可靠性分析

在汽车电力电子器件开发技术中,功率模块正朝着小型化和高功率密度方向发展,而汽车动力装置的高频通断操作会增加键合线的疲劳失效风险。为了提高键合强度及可靠性,首先从键合原理角度出发,揭示键合参数在不同阶段的作用机理,利用单因素实验得到各参数的优化区间;然后通过数值计算与老化实验相结合的方法系统性研究了键合线材料对键合可靠性的影响。结果显示,Cu键合线的最高温度、最大等效应力均高于Al键合线,但受材料属性影响,Cu键合线的最大塑性应变仅为Al键合线的1/2,根据功率循环实验,其寿命约为Al键合线的4倍,并且Cu线键合质量分散性大,单根键合线脱落引起监测信号阶段性跃升的现象可以成为日常工作中的失效预警信号。

Au-Al键合界面金属间化合物对可靠性影响的研究

引线键合工艺是半导体封装过程中十分重要的一道工序,键合质量的提高基于键合可靠性的提升,而键合界面对键合的可靠性,乃至对电子元器件的服役性能和使用寿命都有着极大的影响。但是,在键合完成初期,由于会形成少量的金属间化合物(IMC)。而且,随着时间的增加和温度的升高,金属间化合物会增加。金属间化合物过多时易导致键合强度降低、变脆,以及接触电阻变大等问题,应该看到,脆性的金属间化合物会使键合点在受周期性应力作用时引发疲劳破坏,最终可导致器件开路或器件的电性能退化。其中,金属间化合物的形成和可肯达尔(Kirkendall)空洞是金铝(Au-Al)键合失效的主要失效机理。本文结合充分的实验测试数据及相关文献,综述键合界面上金属间化合物的形成以及演变机理,并且从不同种类的金线、芯片焊盘的铝层厚度、不同焊线的模式、不同类型的封装树脂,四个方面探讨键合界面金属间化合物对可靠性的影响。

四寸砷化镓晶圆临时键合解键合工艺技术

红光半导体激光器在激光照明及激光显示技术中有相当重要的应用,其是以砷化镓作为衬底的。半导体激光器晶圆在完成正面工艺后需要将其背面减薄至100um左右然后蒸镀金属电极。由于砷化镓单晶是一种软而脆的材料,减薄后极易碎裂。针对此问题设计了一种低成本且简单易行的临时键合以及解键合工艺,该方案可以极大提升晶圆减薄制程的良率,应用于实际生产中可解决破片问题。