金凸点芯片倒装键合的失效分析方法

给出了倒装芯片金凸点倒装键合失效的主要界面形式。以制备的直径为60±5μm金凸点的Si芯片-GaAs芯片形式的倒装芯片作为研究样品,试验了业界常用的无损检测技术以及破坏性检测技术对倒装芯片堆叠界面的观测效果。其中工业CT、制样研磨的方式可较好地观测堆叠失效界面的细节信息。最后给出了倒装芯片失效分析的定位思路,并采用失效芯片进行了验证,对倒装芯片的失效分析有一定的指导意义。

热超声倒装键合机视觉系统的设计与实现

针对热超声倒装键合过程中对准工作的特点,确定合理的视觉自动对准方案,在对多种颜色和形状的LED光源进行实验对比的基础上,设计环形LED光源与单个LED发光二极管组合的照明方式,使芯片、基板表面亮度一致且表面几何特征清晰。视觉软件以HexSight为核心,利用创建参考点实现不同目标的识别,并对2个CCD摄像机的控制方案进行优化。通过分析多次识别结果对单项误差进行评估,并以实验用1 mm×1 mm的表面有8个凸点的芯片为例计算视觉识别系统的综合误差,结果表明此视觉识别系统满足芯片键合时对定位精度的要求。

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。

热超声倒装键合换能系统多模态振动与有限元分析

研究了热超声倒装键合设备的核心执行机构——换能系统的动力学特性.利用激光多谱勒测振仪测试系统末端各方向的振动速度,发现系统以轴向振动为主,但受到其他非轴向振动的干扰.非轴向振动对芯片造成芯片倾斜、键合强度降低等负面影响.采用有限元方法对换能系统建模,仿真计算发现换能系统振动是各方向振动的耦合结果,且工作模态附近存在多种干扰模态.最后分析了系统多模态产生的根源并提出抑制方法.

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。

热超声倒装键合环状界面的形成

采用压力约束模式夹持倒装芯片,实现了热超声倒装键合,观察到环状的键合界面微观形貌,脊状撕裂棱以及表皮层碎片。采用有限元方法计算了键合界面应力、应力场的大小和分布在热超声倒装键合过程中的变化,从应力的角度揭示了环状界面的形成机理。研究结果表明,应力分布显示接触面边沿较其它位置更有利于去除表皮层、更有利于原子扩散形成键合强度,是形成环状界面的重要原因;振动的加载过程改变了应力和应力场的分布,使得应力分布进一步集中在振动位移决定的键合界面边沿位置,促进了环状界面的形成。

热超声倒装键合工具和芯片振动的频率特征

采用激光多普勒振动测量系统,监测了热超声倒装键合过程工具末端和芯片的振动速度。由工具和芯片的振动速度有效值曲线,发现了"速度分离"现象,即键合启动数毫秒后,芯片的振动速度突然下降而工具的振动速度继续增大;"速度分离"表明金凸点/焊盘界面已初步形成键合强度。研究了工具和芯片振动速度信号的频率特征,发现芯片振动信号的3倍频成分的产生时刻就是"速度分离"发生的时刻,小键合力有利于"速度分离"发生,也就是有利于初始键合强度的形成,提出了以3倍频产生时刻为临界点的变键合力加载思路。

热超声倒装键合同步触发系统的设计

通过热超声倒装键合测量系统同步触发实验对比研究了单片机扫描工作模式和单片机中断工作模式触发系统的稳定性和触发延迟方面的性能。实验结果表明单片机中断工作模式的触发系统具有更稳定的最大延迟时间、平均延迟时间和延迟时间标准方差,最大延迟时间、平均延迟时间和延迟时间标准方差都比单片机扫描工作模式的触发系统的低,特别是其延迟时间标准方差仅为0.5μs。单片机中断工作模式的触发系统的平均触发延迟时间为9μs,小于热超声振动周期且每次触发延迟时间恒定。对热超声倒装键合数据采集系统和多普勒测振系统进行同步触发实验,结果进一步证实中断工作模式的触发系统能够满足热超声倒装键合数据采集系统和多普勒测振系统的实时性、精确性及稳定性等方面的要求,可以实现对有效数据的精确截取。

工作条件下超声倒装键合换能系统的阻抗特性

在建立各子部分等效阻抗的基础上,采用等效电路方法构建工作条件下芯片超声倒装键合换能系统的阻抗/导纳模型。对阻抗模型进行数值计算,并采用频率扫描的方法实测系统的阻抗特性。研究发现,在工作条件下,换能系统100 kHz范围内包含4阶轴向固有频率;相比于空载条件,工作条件下的各阶谐振频率增大,其电阻值增大,电导值降低。实验测试与数值计算结果相互吻合。

消除温度对倒装键合对准精度影响的方法

为消除温度在热超声倒装键合过程中芯片与基板对准精度的影响,必须将因键合加热而引起的图像抖动量控制在亚像素范围内。设计了一套实验方案,通过实验对比,发现在未启用吹气装置时图像间的抖动剧烈,明显受温度影响,不能满足对准精度要求。采用二元二次曲面拟合亚像素法计算了启用吹气装置后图像间的平移,发现图像间整像素级的抖动明显消除,亚像素级的抖动受温度影响小,在键合温度下最大抖动量不超过0.3像素,能满足对准精度要求。该方法为热超声倒装工艺提出了有价值的参考。

热超声倒装键合中温度对对准精度的影响

针对热超声倒装键合过程中芯片与基板的对准精度受温度影响,采用了6参数仿射模型分层搜索算法分别研究了温度影响下序列图像间平移、伸缩、旋转参数的分布规律;分析结果显示,随着温度的升高,湍流强度增强,图像间平移、伸缩、旋转运动越剧烈,对应参数的离散程度也越高;在键合温度下,伸缩与旋转对对准精度影响不大,可以忽略;平移最大可达6个像素,必须将平移量控制在亚像素级范围内才能满足芯片与基板的对准精度要求。

倒装键合机支撑板模态参数提取与实验验证

采用ANSYS有限元仿真计算与LMS Test.Lab锤击实验相结合的方法研究支撑板的模态特性。仿真分析得到支撑板的前6阶固有频率和振型,并通过实验验证仿真结果的准确性。将理论计算与试验的结果进行对比分析,得出支撑板的一阶固有频率为400Hz,高于支撑板上安装的伺服电机的工作频率以及周围环境的激振频率,因此不会产生共振现象,为防止共振、改善整机质量性能及结构优化提供参考依据。

热超声倒装键合中换能杆末端多维振动的相关性研究

换能杆末端的振动情况对于超声键合机理的研究有着重要意义;换能杆末端的实际振动模式直接影响着芯片键合的质量。利用高精度非接触式激光多普勒测振仪采集了换能杆末端俯仰、水平、轴向振动速度,用相干函数方法分析了3个方向的相互耦合关系。分别对换能杆末端有未安装劈刀的情况做了比较,得出了在换能系统工作频率附近,换能杆末端轴向振速与水平、俯仰振速的相关程度。这对实际键合中,换能系统末端的劈刀安装长度的选择以及换能杆工作频率的选择有指导意义。

微电子封装金丝倒装键合的微织构、组织及性能

采用EBSD取向成像技术研究了各工艺参数(功率、载荷、超声作用时间)对倒装键合组织及微织构的影响,并与对应的剪切性能值进行比较。结果表明,功率的影响最显著,它可在增大形变量的同时提高键合强度;负荷加大形变量,但提高界面结合强度的效果不显著;超声持续的时间不明显提高形变量,但能在一定程度上提高界面强度。超声是通过软化金属,加强界面扩散的方式提高键合强度;超声的存在使取向变化的速度变慢。

倒装键合中助焊剂涂敷的工艺优化

助焊剂涂敷是C4凸点焊料的倒装键合中的关键工艺步骤之一,涂敷均匀和稳定性决定了回流焊后整体成品的质量和可靠性,同时影响倒装键合设备的生产效率。在实际生产中,现有的助焊剂涂敷系统影响设备提升生产效率,并且暴露出生产过程中助焊剂泄漏量过大的问题。通过分析现有涂敷系统的问题和助焊剂泄漏的成因,优化设计了一种更高效的助焊剂涂敷系统,有效提升了设备生产率,使泄漏量对生产的影响降低到最小。

基于倒装键合设备的准直调平系统研究

针对自行研制的倒装键合设备,建立了基于视觉的调平系统,运用自准直原理设计了调平光路,同时结合图像识别技术及算法对键合面的状态实时观察,并通过调节高精度机构实现键合面的平行度调节。结果表明,准直调平系统的研制对键合效果的提升有很好的促进作用。

基于倒装键合的高速高功率平衡光电探测器

提出并制备一种高速高功率改进型单行载流子平衡光电探测器,通过引入P型掺杂牺牲层,调节漂移层电场强度,赋能光生电子近弹道输运特性,进而减少载流子的渡越时间,有效扩展器件的带宽,并在高功率条件下有效抑制器件的功率饱和现象。同时,将光电探测器芯片倒装键合在高导热系数金刚石基片上,降低光电探测器芯片核心温度,进一步提高器件射频输出功率。在-3 V偏压下器件暗电流小于200 nA。有源区直径为4、6、8μm的器件分别具有52、42、40 GHz的3 dB带宽响应。有源区直径为6μm和8μm的器件分别在50 GHz、47 GHz处达到8.0 dBm和14.0 dBm的射频输出功率。

高密度倒装键合中多物理量协同控制机制与实现

针对超薄高密度芯片倒装键合,我们在超薄芯片的表面作用机理与高效剥离、基于飞行视觉的多自由度高精对准与高效贴片、键合界面接触电阻的建模计算及精确控制等方面取得重要进展。主要创新工作包括:(1)揭示了微薄芯片拾取过程中剥离与碎裂的竞争行为及其影响机理,发明了基于串并联混合机构的四自由度贴片装置及其力/位控制方法,实现了超薄芯片的无损拾取和多自由度高效高精贴片;(2)发明了基于多反射镜的飞行视觉定位装置,提出了多自由度调平、图像质量改善与超分辨率重建等图像处理方法,实现了高精快速定位;(3)揭示了超薄芯片倒装键合界面形成机理,发现了导电胶倒装键合中接触电阻"弯曲效应",提出了键合压力、温度、基板张力等协同控制方法及装置;(4)研制了基于各向异性导电胶倒装热压焊工艺的高密度芯片倒装键合原型机,实现了最大芯片尺寸5mm×5mm、芯片间距15μm的高密度芯片封装。

键合互连技术的现状及发展趋势

键合互连技术是电气互联技术领域中器件封装的关键技术,本文简要介绍了引线键合技术、载带自动焊键合、倒装焊键合3种常见键合互连技术的基本原理、类别及焊料选用等,并比较了它们的优缺点。接着又简要介绍了最新的键合技术研究现状。为了实现更高精度的互连,基于电镀和光刻技术、喷墨印刷技术的线型键合技术被开发出来;倒装互连键合技术由于在2.5D/3D封装领域具有广泛的应用前景,被学者广泛研究,技术发展趋势表现为凸点材料种类有所增加,加热工艺更可控,焊接工艺有所优化;此外,为了满足垂直互连封装需要,基于热压键合、混合键合、钝化键合等各类低温键合技术也被开发出来。