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。

β-Al_(2)O_(3)与金属铝的阳极键合及性能分析

采用高纯铝片与β-Al_(2)O_(3)陶瓷片进行阳极键合实验,通过控制键合温度和电压,研究了键合界面的微观结构和元素分布。实验结果表明,在适当的温度和电压下,铝与β-Al_(2)O_(3)界面形成了致密且无裂纹的过渡层,过渡层厚度约为5μm。扫描电子显微镜(SEM)和能谱(EDS)分析结果显示,界面处O、Na、Mg元素在铝中的扩散程度较小,主要是由于这些元素的低扩散系数和界面化学反应的阻碍作用。此外,力学性能测试结果表明,键合强度随着键合温度和电压的增加而显著提高,其中键合电压对剪切强度的影响更为显著。在900 V和500℃条件下,接头剪切强度达到3.6 MPa,断口主要发生在β-Al_(2)O_(3)基体中,表明键合界面强度高于基体强度。该研究为优化阳极键合工艺参数提供了理论依据和实验支持,对新材料在阳极键合中的应用起到了一定的推动作用。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

薄界面异质异构晶圆键合技术研究现状及趋势

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。雷达探测、5G通信等领域所用的导体器件对大功率、高频率、高响应等性能要求越来越高,目前该类器件面临界面热阻高、传输损耗大和集成度低等技术瓶颈。开展超薄界面异质异构晶圆键合装备研发,大幅度降低键合界面热阻、提高互连密度和键合精度,是解决当前技术瓶颈、提高器件性能的重要途径。但由于核心零部件被国外垄断、设备整机技术攻关难度大,目前尚无成熟的国产异质异构晶圆键合装备,这就严重制约了我国新一代半导体器件的自主创新发展。本文梳理了超薄界面异质异构晶圆键合技术及典型工艺研究现状,并展望了超薄界面异质异构晶圆键合技术发展趋势。

晶圆键合台温度均匀性提升研究

为提升集成电路用晶圆键合台的温度均匀性,以当前主流的200 mm晶圆键合台为研究对象,开展了键合台升温实验,建立并验证了键合过程三维热量传递数值模型,研究了键合台内部温度形成与分布规律,提出了能够显著提升键合台温度均匀性的简便有效策略。结果表明:加热盘内部加热丝缠绕的非中心对称分布引起键合台工作面温度的不均匀分布,在不考虑上、下加热盘高低温区匹配的情况下,工作面整体温度均匀性为3.2%,径向温度均匀性为1.1℃;对上或下加热盘进行旋转,使得两个加热盘的高低温区分布形成空间补偿,可大幅提升键合台温度均匀性;在将上加热盘逆时针匹配旋转50°后,键合台工作面的整体温度均匀性达到1.3%,径向温度均匀性达到0.3℃。该研究有助于深入认识晶圆键合台内部的热量传递与温度分布规律,对于键合台的精细设计和键合工艺水平的提升具有参考意义。

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。

一种基于开通栅极电压的新型IGBT键合线老化监测方法

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)的可靠运行是牵引变流器安全和性能的重要保障。键合线老化作为IGBT的一种常见失效模式,对其进行监测具有重要意义。文中提出一种基于开通栅极电压ugem的键合线老化监测方法,该方法可有效避免温度和负载电流带来的影响。首先,基于IGBT等效电路模型,系统分析ugem受键合线断裂影响的原因;其次,利用双脉冲测试进行验证,同时对温度和负载电流带来的影响进行分析;在此基础上,考虑到使用ugem局部特征将受到温度和电流的干扰,提出将开通栅极电压整体波形用于键合线老化的监测,并进一步利用有监督的线性判别分析进行数据降维以及采用支持向量机实现键合线断裂根数的检测。最后,通过实验对所提监测方法的有效性进行验证。

PBT推进剂中水氧扩散及键合作用的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,对H_(2)O和O_(2)在三氟化硼三乙醇胺络合物(T313)中的扩散行为进行模拟,并研究了叠氮聚醚聚氨酯(PU_(PBT))/T313/高氯酸铵(AP)复合体系在不同界面层间的结合能和界面间的相互作用机理。扩散模拟结果显示,随着温度升高,H_(2)O在T313中的扩散系数逐渐降低,O_(2)在T313中的扩散系数逐渐增大,呈现出相反的变化趋势,表明极性分子和非极性分子在键合剂膜层中的扩散现象有显著差异。PU_(PBT)加入键合剂T313后,与AP颗粒之间的结合将更加紧密。PU_(PBT)/T313体系的界面黏附能力主要由PU_(PBT)体系中的原子与T313中各原子之间的强范德华相互作用或氢键相互作用提供,而T313/AP体系的界面黏附能力主要由AP和PU_(PBT)体系中原子之间的强范德华相互作用提供。

计及磁链和电流的PMSM DTC系统中功率器件键合线老化监测方法

在闭环控制系统中,基于电参数的功率器件老化监测方法是电力电子可靠性领域的难点之一。以永磁同步电机直接转矩控制系统为例,研究基于磁链相图和电流的功率逆变器中功率器件老化状态的在线监测方法。首先,分析功率器件老化的特征,得到键合线老化引起通态电阻增加的结论;其次,研究得到功率器件键合线老化与磁链相图、直轴电流和三相电流峰值变化的关系,进而提出功率器件键合线老化的监测方法;最后,通过多组仿真实验验证了基于磁链相图和电流的在线监测方法均可实现功率逆变器中功率器件键合线老化状态的在线监测。其中,基于磁链相图的在线监测方法需要系统磁链出现一些波动时才易观测,此时功率器件处于失效状态,该方法并不可取;而基于三相电流的监测方法能够更为精确地监测功率器件老化状况,效果更为优越。

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。

光热驱动型共价再键合自修复涂层的研究进展

综述了光热驱动型共价再键合自修复涂层的研究现状、性能缺陷及未来发展方向。首先,从成键机理的角度,探讨了不同共价键修复的设计思路和应用特点,详细解释了环加成反应、二硫/二硒/二碲键交换反应和Michael加成反应的原理,并列举了相关研究案例。通过文献调研发现,该类涂层在修复较大分子、适用范围、耐久性、自修复效果及成本等方面存在不足。基于此,提出了未来发展方向应包括多功能性、智能性、生物可降解和大规模应用等方面。总体而言,热驱动型共价再键合自修复为涂层领域开辟了新的发展路径,展现了广阔的应用前景,将显著提升涂层的功能性和可靠性。

使用晶圆级键合技术制备金属微结构

使用金属材料的晶圆级键合技术可以制备半封闭结构的金属矩形微同轴线。基于柔性金属衬底的晶圆级键合技术,制备了金属矩形微同轴结构。通过选择合适的对准标记和键合工艺,实现了≤10 μm的对准误差。通过多个金属矩形微同轴线的微组装,初步展示了使用单层金属矩形微同轴线构建射频开关矩阵单元的能力。