适读人群：《微电子封装超声键合机理与技术》可作为微电子制造、信息器件与装备、传感器等专业的研究生学习参考书，也可作为微电子制造相关科研人员的参考书。
　　微电子封装超声键合机理与技术可作为高等院校微电子制造工程专业的研究生参考书，也可供机械、材料、测控技术等领域从事微电子制造研究的科研人员使用和参考。

内容简介

　　微电子封装超声键合机理与技术是作者关于超声键合机理和技术研究的总结。主要内容包括：微电子制造的发展，超声键合在封装互连中的地位、研究现状、存在问题；换能系统的设计原则、仿真手段和实际使用中的特性测试；对超声键合微观实验现象以及机理的科学认识和推断；热超声倒装键合工艺的技术研究；键合过程和键合动力学的检测；叠层芯片互连；铜线键合、打火成球、引线成形、超声电源。

内页插图

前言第1章绪论11.1新技术革命浪潮下的微电子制造11.2现代微电子制造业中的封装互连41.3微电子封装测试和可靠性101.4微电子封装互连的发展趋势121.5超声键合机理与技术研究16参考文献24第2章换能系统振动特性有限元分析252.1压电材料结构的有限元方法252.2换能系统有限元模型282.3模态分析302.4谐响应分析41参考文献43第3章换能系统多模态特性实验研究443.1测试方法443.2测试结果463.3键合工具响应振型与运动轨迹分析503.4多模态特性对键合质量的影响523.5换能系统多模态产生原因及抑制建议55参考文献59第4章换能系统优化与设计614.1基本结构尺寸计算614.2基于频率灵敏度方法的系统结构优化654.3加工与装配684.4设计实例69参考文献74第5章PZT换能系统的特性和行为755.1换能系统等效电路与电学导纳特性755.2阻抗分析仪测试换能系统的电学特性825.3加载电压对PZT压电换能器稳态电学特性的影响875.4环境温度对PZT压电换能器稳态电学特性的影响905.5连接松紧度对PZT压电换能器稳态电学特性的影响935.6超声换能系统的稳态响应与速度导纳975.7超声换能系统的实际加卸载过程1005.8超声换能系统的俯仰振动1035.9劈刀的振动模态1105.10换能系统电学输入的复数表示1175.11实际引线键合过程换能系统的能量输入122参考文献125
第6章超声键合界面快速形成机理1286.1超声振动激活金属材料位错的观察1286.2原子扩散体系的激活能及快速通道机制1346.3超声界面快速扩散通道机理143参考文献146

第7章扩散键合界面强度构成与演变规律1487.1界面原子扩散层厚与微结构强度构成1487.2超声键合过程多参数与键合界面微结构演变规律1557.3超声键合系统阻抗/功率特性164参考文献175第8章热超声倒装键合界面规律与键合工具设计1768.1热超声倒装实验平台的搭建1768.2多点芯片热超声倒装键合的实现1778.3倒装凸点的热超声植球工艺探索1808.4倒装界面、键合工具、工艺的协同181参考文献183第9章倒装多界面超声传递规律与新工艺1849.1倒装二键合界面TEM特性与界面扩散1849.2倒装二界面性能分析与工艺新构思1889.3基板传能与基板植球倒装实现与传能规律1929.4热超声倒装二界面传能规律分析1959.5热超声倒装键合过程多参数影响规律198参考文献200第10章热超声倒装键合实验系统及其相关技术20110.1热超声倒装键合试验台20110.2超声在变幅杆�补ぞ咧械拇�递20810.3超声在倒装界面间的传递过程21510.4热超声倒装键合过程监测系统22910.5键合过程监测系统数据采集和分析23710.6金凸点�埠概探缑娴挠邢拊�模型及其求解24410.7键合力和超声振动对键合面应力分布的影响25010.8键合强度的形成机理255参考文献263
目录· v ·· vi ·微电子封装超声键合机理与技术
第11章热超声倒装键合工艺优化26611.1超声功率对热超声倒装键合的影响26611.2键合力对热超声倒装键合的影响27011.3键合时间对热超声倒装键合的影响27311.4超声作用下金凸点的变形测量27611.5热超声倒装键合的典型失效形式27911.6新型热超声倒装键合工艺的提出28211.7阶梯式键合参数加载过程对倒装键合强度的影响283参考文献291第12章引线键合过程的时频分析29312.1新的解决方案——时频分解29312.2键合压力改变对键合强度的影响29912.3劈刀松紧度影响的时频特征32112.4换能系统俯仰振动的时频特征333参考文献337第13章换能系统与键合动力学的非线性检测与分析34013.1工艺窗口与非线性过程34013.2锁相非线性34213.3换能系统的非平稳加载34513.4动力学系统的实验建模与键合工具对换能系统的非线性作用34613.5加载边界条件以及滑移/黏滞现象35113.6相关分析及其应用35413.7关联维数分析及其应用35913.8键合动力学细节判断与认识36813.9Lyapunov指数分析及其应用377参考文献381第14章加热台温度引起对准误差的检测与消除38314.1热超声倒装键合机的视觉系统38414.2系列图像的预处理和基本评价38714.3图像整体抖动的Weibull模型39114.4图像的错位和畸变39514.5加热条件下系列图像的整体和局部运动40514.6吹气装置的实验研究411参考文献418第15章基于高速摄像的EFO打火成球实验研究42115.1研究背景42115.2打火成球过程研究实验系统42315.3球形成过程的分析42915.4高尔夫球形成规律实验研究43815.5打火成球过程的热能量利用估算447参考文献459第16章三维叠层芯片的互连46116.1摩尔定律与叠层芯片互连46116.2压电底座激振装置46316.3激励源与激振信号46416.4叠层芯片一阶固有频率的实验判别47316.5红外测温的可行性与加热台的升温47916.6加热升温的建模与芯片结构测温实验结果48116.7叠层芯片引线键合动力学条件的讨论489参考文献491第17章悬臂键合与铜线互连49317.1超声驱动电信号分析49317.2悬臂键合芯片挠度及键合点形貌特性49517.3悬臂键合强度与界面结构分析49717.4提高悬臂键合强度的工艺研究49917.5铜线悬臂键合特性与规律50517.6Cu线键合界面的微区X衍射与HRTEM测试与分析50917.7界面Cu�睞l金属化合物形成条件及其晶体结构特性51117.8铜线键合界面特性与键合强度的关系51917.9Cu线和Au线键合界面微观特性与性能比较519参考文献524第18章引线成形过程的研究52818.1引线成形过程的研究现状52818.2基于高速摄像的引线成形过程实验研究52918.3引线成形过程的有限元分析558参考文献573第19章基于FPGA的超声发生器设计与实现57519.1超声发生器的研究现状57519.2超声发生器的建模与仿真58119.3超声发生器的频率控制59419.4基于FPGA的智能超声发生器设计60619.5智能超声发生器的性能测试621参考文献631

精彩书摘

　　第1章绪论〖1〗　　1��1新技术革命浪潮下的微电子制造　　制造业是将可用资源通过相应过程、转化为可供使用的工业品或生活消费品的产业。作为经济主要组成部分和财富主要来源的制造业，集成了人类的技术和工艺等多方面的努力进展。中国是世界最重要的制造业大国，随着世界制造业重心的转移，一批重要的制造业基地正在中国崛起。中国的制造业吸收了一半的城市就业人口、一半的农村剩余劳动力，财政收入的一半来自制造业。在未来10～20年，制造业将继续经历这一重大深刻改变，而制造者，尤其是中国的制造者，将面临更严峻的挑战。　　1958年，美国德州仪器公司（Texas Instruments）的Kilby将半导体晶体管集中在同一芯片（图1��1），由此诞生了集成电路（integrate circuit, IC）芯片。之后，高分辨率的光致抗蚀剂（光刻胶，photo resist， PR）问世，光刻技术得到迅速发展，成为半导体器件和集成电路制造的关键工艺。　　图1��1第一个晶体管和第一块集成电路　　自20世纪60年代中期至今，硅基集成电路相继经历了小规模集成（small scale integration, SSI）、中等规模集成（medium scale integration, MSI）、大规模集成（large scale integration, LSI）和超大规模集成（very large scale integration, VLSI）四个发展阶段。单个IC的集成度由数个发展到十亿个以上晶体管或门电路，输入输出（I/O）数也由几个发展到数百个甚至上千个。半导体微电子器件在原理和制造工艺上的不断突破，形成了具有强大生命力的信息技术产业，推动了以计算机（computer）、互联网（internet）为代表的信息技术的高速发展，为科学技术的许多领域注入了新的活力，彻底改变了人们的物质生活甚至精神生活方式。微电子工业已是21世纪的全球头号产业，可称为现代制造业的基础之一。　　目前，集成电路对国民经济的贡献率远高于其他门类的产品。例如，以单位质量钢筋对国内生产总值（GDP）的贡献为1计算，则小汽车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电路的贡献率则高达2000。国民经济总产值增长部分的65%与微电子有关。2000年，集成电路发明人Kilby获得诺贝尔物理学奖，以集成电路为基础的电子信息产业成为世界第一大产业。2001～2010年这10年间，我国集成电路产量的年均增长率超过25%，集成电路销售额的年均增长率达到23%。2010年国内集成电路产量达到640亿块，销售额超过1430亿元，分别是2001年的10倍和8倍。中国集成电路产业规模已经由2001年不足世界集成电路产业总规模的2%提高到2010年的近9%［1］。中国已是拥有全球最大的电子信息市场的制造大国。2012年上半年，网络购物用户规模达到2��1亿，通过手机接入互联网的网民数量达到3��88亿，手机成为我国网民的第一大上网终端［2］。当前，以移动互联网（mobile internet）、物联网（internet of things）、云计算（cloud computing）为代表的战略性新兴产业快速发展，成为继计算机、网络通信、消费电子之后推动集成电路产业发展的新动力。　　先进电子制造是关系国家利益和安全的战略性产业，也是当今世界竞争最激烈、发展最迅速的技术领域。与巨大且快速增长的国内市场相对照，中国集成电路产业虽发展迅速但仍难以满足内需。在先进电子制造中，中国的大型制造装备基本依赖进口，中国先进电子制造技术整体水平尚不能令人满意，在关键制造理论与技术方面距发达国家还有较大差距。中国目前仍处于集成电路消费大国的历史阶段，核心竞争力缺失。作为中国支柱产业的信息产业，很大程度上依赖于国外集成电路的支撑，信息社会的产业和技术基础并不十分牢固［3］。　　1965年， Fairchild公司的Moore整理资料时发现，每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量［4］，这就是现在所称的摩尔定律（Moore′s law）。在摩尔定律提出后的40多年中，曾不断有专家认为芯片集成的速度已经达到极限。不过事实是，尽管翻一番的周期已经从最初的12个月增加到了如今的两年，摩尔定律跨越了Moore当时预计的1975年，但至今依然有效。芯片上的晶体管数目保持指数增长的趋势，引起了人们的惊异。惊异的是世界上还没有一个产业能以这样的速度持续发展，而且这一预测来自于年轻的研究人员。起源于物理和材料科学的发明，微电子制造在短短数十年发展成为全球头号产业，说明需求和市场的巨大作用，也说明在战略高技术方面缺乏基础研究，原创性技术的产业基础是薄弱的。摆在中国制造业和学术界面前的迫切任务，就是尽快在微电子制造领域赶上和超过世界先进水平。　　微电子制造是指在微米、纳米尺度上将物理原理演变为物理现实，批量制造结构、器件和功能系统。微电子制造工艺和系统越来越精细复杂，是不可回避的现实。　　有别于制造工艺技术的堆砌，制造科学主要处理指导工艺选择、优化方向和预估可能极限。美国国家科学院院士冯元桢（Yuan�睠heng Fung）曾指出：“莱特兄弟的飞机飞上天时，并不懂得空气动力学。但如果没有空气动力学，就没有‘协和’飞机”。微制造科学和微电子制造工程的关系与此类似。形象地说，制造科学是“基因溯源”的探讨而非“症状处理”的技术综合。因此，除了对具体工艺过程的技术研究，除了在材料科学、半导体物理领域处理，还必须从基础做起，拓宽研究范围。　　以超声键合装备为例。为实现每秒15对线以上速度的互连，键合系统（图1��2）必须精密设计、调控到最佳状态。其中，超声功率源的启动和停止，压电元件的设计制作，换能系统、劈刀的材质和尺寸选择，动态键合力的施加，喂线、引线成形，均需要对键合工艺有深刻的理解、完整的设计和精密的控制。这是在毫米级的工具空间，通过微米级的操纵，在纳米尺度上产生强度，将工艺集成为一个设备可实现的自动化过程。　　图1��2超声键合系统　　人们已认识到，用自动化装备实现涉及规模、速度、可靠性的大批量制造（volume production），必须从机械、力学和测控的角度，深入把握制造装备进行的前道及后道工艺过程的细节。从这个角度上说，高性能电子产品制造装备的发展方向是：高精度（控制精度趋于纳米级、加工精度趋于亚纳米级）、超微细（线宽小于100nm）、高加速度（引线键合运动系统加速度高达10g）和高可靠性（千小时失效率低于10-9）。在上述四个方面领先，首先需要在关键制造技术上取得突破。它们的共性关键技术为：微结构制造技术、微间隙控制技术、微连接技术、高精度加工技术、高速度、高精度运动控制技术、数字化制造技术等。这些技术的实现，需要解决三个关键科学问题：制造表面和界面间的原子、分子和纳米粒子的行为与作用规律；极限制造过程中混合约束的统一表达；极限制造中超精密运动生成原理及控制策略。　　1��2现代微电子制造业中的封装互连〖1〗　　1��2��1微电子封装和电气互连　　微电子封装是IC芯片转变为功能产品的最后一个制造过程，封装为芯片进入工作状态提供信号与能量传输必需的电气连接，同时提供散热通道和可靠的物理支撑与保护。使用中的集成电路芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。封装后的芯片也便于安装和运输。封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的印制电路板（PCB）的设计和制造。1947年，第一只晶体管的发明开创了微电子封装的历史。　　微电子封装对IC产品的体积、重量、性能、可靠性、成本等都有重要影响，封装在整个IC的成本中所占比例越来越大。IC制造成本的40％是用于封装的，而IC失效率中超过25％的失效因素源自封装。封装所占成本由中小规模集成电路的10%增加到大规模集成电路的80%。实际上，封装已成为研发高性能电子系统的关键环节和制约因素，全球微电子制造业对高密度、高可靠封装技术一直十分关注［5］。　　微电子封装已成为制造大规模集成电路的关键之一。随着芯片特征线宽减小，芯片不断变薄，芯片的前道制作与后道封装不断融合，许多先进的封装工艺与技术应运而生，其中可望应对32nm特征线宽芯片封装要求的新技术主要有晶圆级封装（wafer level packaging, WLP）、系统级封装（system in a package, SIP）、基板嵌入式封装（die embedded in substrate, DES）等。　　20世纪70年代流行的是双列直插封装（dual in�瞝ine package, DIP）。DIP的结构形式有多种，如多层陶瓷双列直插式DIP、单层陶瓷双列直插式DIP、引线框架式DIP（含玻璃陶瓷封接式、塑料包封结构式、陶瓷低熔玻璃封装式）等［图1��3（b）］。DIP封装结构适合PCB的通孔安装，比TO型封装易于PCB布线，操作方便。　　扁平封装是大规模或超大规模集成电路采用的封装形式。塑料方型扁平封装（plastic quad flat package, PQFP）芯片的四周均有引脚，其引脚总数一般都在100以上，而且引脚之间距离很小，管脚也很细［图1��3（c）］。用这种形式封装的芯片必须采用SMT（表面安装技术）将芯片边上的引脚与主板焊接起来。采用SMT安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。PQFP适用于表面安装技术在PCB上安装布线，适合高频使用，具有操作方便、可靠性高、工艺成熟、价格低廉等优点。　　图1��3几种封装形式　　20世纪90年代后，随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI、VLSI、ULSI相继出现，芯片集成度不断提高，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大，对集成电路封装的要求更加严格。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新品种——　　球栅阵列封装（ball grid array package,BGA）。它的I/O引脚以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，引线间距大，引线长度缩短，这样BGA消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲问题（图1��4）。BGA技术的优点是可增加I/O数和间距，消除方形扁平封装（quad flat package,QFP）的高I/O数带来的生产成本和可靠性问题。例如，美国LSI Logic公司推出的FPBGA��4L，共有四层有机材料的衬底，它的膨胀系数同线路板材料十分接近。硅芯片直接接触到铜的散热板上，所以具有很好的散热性能。每边的尺寸最大达40mm，引出端最多可达1157个。　　图1��4集成电路BGA的内部结构　　总体说来，集成电路封装大致有三次重大革新：第一次是在20世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片技术（surface mount technology, SMT）封装，极大地提高了印刷电路板上的组装密度；第二次是在1990年BGA的出现，它不但满足了市场高引脚的需求，而且大大地改善了半导体器件的性能；晶片级封装、系统级封装、芯片级封装是现在第三次革新的产物，其目的就是将封装尺度减到最小。　　1��2��2封装的层次　　整个IC生产中的后道生产过程有晶圆减薄（磨片）、晶圆切割（划片）、上芯（黏片）、压焊（键合）、封装（包封）、前固化、电镀、打印、后固化、切筋、装管、封后测试等工序。　　为研究微电子产品的散热，定义了微电子封装等级［6,7］，见图1��5。　　（1）一级封装是指芯片（单芯片或多芯片）上的输入输出I/O与引线框架或基板的互连，即用封装外壳（金属、陶瓷、塑料等）封装成单芯片组件（SCM）和多芯片模块（MCM），常称为芯片（器件）级封装。　　（2）二级封装是指集成块（封装块）连入PCB或卡板（card）上，即将一级封装和其他元器件一同组装到基板（PCB或其他基板）,又称板级封装。　　（3）三级封装是指将电路板或者卡板连入整机母板上，即将二级封装组装到母板上，也称母板实装。　　图1��5微电子产品的三级封装［7］　　1��2��3芯片互连级封装　　半导体封装的外部形式以及内部的连接方式，与其工艺实现过程有密切联系。其中，内部芯片和外部管脚以及芯片之间的连接起着确立芯片和外部电气连接、确保芯片和外界之间的输入输出畅通的重要作用，是整个封装过程的关键。局部互连（local interconnect）是指在晶体管与钛硅化物接触之间形成金属连线。一级互连则指芯片上焊盘（pad）和引线框架或基板的电气连接。互连方式的发展将直接影响着整个半导体封装业的动向。封装的一级互连方式主要包括引线键合、倒装芯片键合和硅片键合。　　……