热超声堆叠过程封装模块内部键合线损伤分析

基于金凸点互连的3D封装模组具有凸点密度高、射频性能优异的特点,采用热超声堆叠工艺实现层间结合。以三层硅基封装模组堆叠作为研究对象,通过设计试验验证了主要堆叠工艺参数以及堆叠方式对内部键合丝损伤程度的影响。试验表明,调整堆叠工艺参数以及堆叠方式无法根除模块堆叠过程内部键合丝受损的现象。通过理论分析及有限元仿真证明了引起模组内部键合丝损伤的主要原因为堆叠过程中导电胶受热软化,芯片在超声能量下存在微幅振动。最后针对此问题给出了解决方案。

热超声引线键合换能系统振动特性仿真研究

在建立热超声引线键合换能系统各子部分运动方程的基础上,利用有限元方法建立空载情况下换能系统的振动特性仿真模型,并采用正弦扫频方法验证仿真模型。结果表明:换能系统以第2阶变幅杆轴向振动与劈刀径向振动的模态作为其工作状态下的主振型;换能系统工作频率附近包含多种振动模态,键合过程极易被激发而表现出多模态性,由此会消耗部分超声能量且对芯片键合界面造成负面影响,这些振动模态必须得到抑制;仿真计算与试验结果相吻合,其中工作频率的相对误差只有1.2%。

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。

不同温度对热超声键合工艺连接强度的影响

在有规律地改变键合温度的条件下,分析不同温度对热超声键合工艺连接强度的影响规律,并研究温度因素对整个系统的PZT换能器输入功率及阻抗的影响.试验研究发现,温度过低(低于601℃)导致键合不成功或连接强度很低,温度过高(高于300℃)导致连接强度降低,最佳的键合窗口出现在200～240℃区间,此时连接强度达20g左右.对推荐使用的大于5.4 g的连接强度标准,文中试验条件下可键合窗口为120～360℃.而且,对于恒定额定功率设置的PZT换能器系统,温度的改变导致PZT换能器实际加载的功率及阻抗的改变.这些试验现象和分析结果可作为整个键合系统工艺参数匹配及优化的依据.

热超声技术在裂纹检测中的应用

材料表面和表面下浅层裂纹的检测对金属承力结构十分重要。热超声是一种新型的无损检测技术。该技术使用超声能量激励材料裂纹并用红外热像仪探测该裂纹。对飞机前起落架旋转臂试件进行的多次试验,证明此方法对金属裂纹的检测是有效的。

热超声封装高频换能器的动力学优化设计

为提高热超声封装效率、降低封装温度,研究了高频超声换能器的动力学优化设计.基于一维振动和波动理论,建立了换能器的解析模型,得到了压电振子、指数形聚能器和劈刀的波动方程.借助有限元分析软件ANSYS参数化建模,分别对压电振子和聚能器进行优化设计.考虑材料、形状和尺寸对其振动特性的影响,得到了换能器最优模型.通过阻抗分析仪和多普勒激光测振仪对换能器进行电谐振和机械谐振测试.实验结果表明,该换能器在其工作频率附近不存在非纵振模态和其它寄生的振动形式,从而方便了超声信号发生器设计.

微波致热超声成像系统的研究

生物组织在微波脉冲的激励下,会因热膨胀产生超声信号。正常组织与病变组织的电特性存在很大的差异,因此采用微波照射、利用接收的超声波成像的方式可以为检测组织的早期病变提供更大的可能。该文介绍了微波致热超声成像原理和系统的组建,从理论上分析了影响系统分辨率的因素。基于已搭建的初步实验平台,用处于单一背景下的简单目标为实验样品进行实验,利用采集的数据进行了成像研究。

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。

热超声键合换能系统阻抗/导纳模型

采用等效电路方法建立换能系统的阻抗/导纳集总参数模型,包含各子部分的材料特性、尺寸、系统损耗因子、谐振频率、激励电信号以及不同负载下系统阻抗和导纳等动力学特性。以无键合工具与有键合工具两种不同负载为例计算得到,在100kHz范围内系统包含4阶轴向谐振频率:相比于无键合工具条件,有链合工具负载条件下的各阶谐振频率增大,其电阻值增大,电导值降低。阻抗分析仪试验与有限元分析结果均验证系统阻抗/导纳模型的正确性。

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。

电磁致热超声系统设计及基于小波阈值去噪方法的信号处理

本文给出了一个电磁致热超声(EMITA)实验系统,针对实验信号的提取问题,首先研究了实验平台的改进方法,通过置入波导内容器截面的设计,增加微波透过率;对耦合液的选择研究,减小微波脉冲对超声波接收传感器的电磁冲击,从而提高系统在强电磁脉冲下的电磁兼容(EMC)能力;其次为了从低信噪比数据中有效提取EMITA超声信号,研究了应用小波分析方法和阈值去噪重构方法处理实验采集的EMITA信号.

热超声键合换能系统振动多模态分析

研究了换能系统的振动多模态性及其对键合质量的影响。利用激光多谱勒测振仪提取变幅杆和工具末端各特征点的速度信号,发现换能系统的运动为多种模态耦合的结果,并得到各非主模态与主模态的速度比值,其中非主模态以垂直弯曲振动为主。这种垂直弯曲振动对芯片造成“拍击”的负面效应,从而影响多凸点与基板的键合面积、键合强度以及芯片与基板的平行度。利用FEM方法分析系统多模态产生的原因,并提出抑制方法。

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.

热超声键合压电换能器的动力学特性

基于有限元方法和试验测试,研究了芯片封装用压电超声换能器的动力学特性。借助ANSYS压电耦合和非线性接触分析功能,对换能器自由和约束状态下的振动特性进行了分析。探讨了超声能量在空间域、时域和频域的传递规律。由模态分析得到换能器的振动形式,通过谐响应分析提取其在正弦电压激励下的振动信息,经瞬态分析获得换能器的瞬态响应。结果表明,螺栓径向尺寸和预紧力影响换能器的模态分布和动态特性,压电晶堆加载电压的频率影响超声能量传递特性。通过键合试验考察了焊点质量与螺栓径向尺寸的关系。分析和试验结果为换能器设计和键合工艺优化提供了指导。

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。

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。

温度因素对热超声键合强度的影响实验研究

主要研究了热超声键合过程中环境温度对键合强度的影响规律。分析了键合强度与键合温度之间的关系。实验研究发现,最佳键合“窗口”出现在200～240℃,此时键合强度可达20g左右。对推荐使用的大于5.4g的键合强度标准,本实验条件下可键合“窗口”为120～360℃。这些实验现象和分析结果为后期的键合参数匹配规律和系统动态特性研究打下基础。

劈刀运动历程对热超声键合界面变形的影响

利用有限元分析方法研究在铜金属化晶片上进行金引线热超声键合的过程,建立基于率相关材料特性的热超声键合有限元模型,对键合中的碰撞和超声振动两个键合阶段进行了仿真.通过引入键合界面单元变形量、接触率等参量,得出劈刀运动历程对键合界面变形的影响规律,进而也揭示了其对键合强度的影响.

热超声键合过程中键合力波动特性仿真研究

利用有限元分析方法研究了在铜金属化晶片上进行金引线热超声键合过程中的键合力变化情况,建立了基于率相关材料特性的热超声键合有限元模型,对键合中的碰撞和超声两个过程进行了仿真分析,并引入平均键合力、键合力标准差值等统计参量来判定键合力的波动变化,从而更加准确地揭示了各键合参数对键合力波动的影响规律.研究结果表明:碰撞初速度(v0)、超声时间或键合温度的增加,均会使得键合力的波动加剧,不利于键合力的控制;对于v1/v0(v1为劈刀速度)则存在一个合适的值,可以使得键合力的波动变化最小.