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.pdf

1、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。如何通過優(yōu)化工藝、運(yùn)動(dòng)與能量參數(shù)來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

2、線參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)鍵合過程的超聲功率、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”的鍵合過程和鍵合質(zhì)量的評(píng)估原理。 2)發(fā)現(xiàn)鍵合過程工具/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金球的流變傳遞到鍵合界面系統(tǒng)

3、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)控制鍵合過程的思路。 4)從SEM中觀察到了環(huán)狀鍵合界面。通過建立了鍵合界面的有限元模型，研究了鍵合過程中不同狀態(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

4、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M(fèi)Pa的應(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)力加載和卸載過程中，

5、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M(fèi)Pa應(yīng)力作用下，獲得了足夠的能量，越過勢壘，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