超声键合界面微结构生成机理与规律研究

论文摘要

本论文以超声键合界面为对象，系统研究了引线键合和热声倒装键合界面的生成机理，解决了键合点纵截面透射电镜（TEM）样品制作的难题，观察到超声能作用下界面材料位错密度增加的现象，探讨了超声键合快速形成的微观机制，剖析了键合点微结构的空间构成；采集了超声驱动的电压，电流信号，得到了键合过程实时的超声功率/阻抗特性；研究了热声倒装上，下界面的原子扩散状况，发现了上/下界面扩散的非均匀性，试验了多种模式的热声倒装新工艺，提出了二界面扩散层厚度一致的工艺路线，获得了热声倒装键合点界面超声能传递，转化的比率规律。研究工作主要包括如下几个部分：1．超声键合界面快速形成机理：从键合界面的TEM测试观察到超声键合层位错密度剧烈增加的现象，证实超声键合界面间为位错扩散，位错引起晶格畸变，具有较低的扩散激活能，极易扩散，且，晶格位错是一种快速扩散的通道机制，位错密度的增加也表明键合过程中未发生高温回火而使位错消失，说明超声键合是在回火温度以下的原子扩散过程，阐明了基于表面扩散、位错扩散的超声快速键合机理。2．高分辨透射电镜（HRTEM）的扫描透射（STEM）模式下，测试到键合界面原子扩散层为200-500nm，表征键合界面强度结构的生成；键合区在拉力作用下分离界面形如环带状，周边脊皱形成强的键合，并有明显的断裂韧窝，互扩散原子在对偶材料晶体中产生固溶（或合金）强化，引起晶体晶格常数改变，其强度大于基体材料的强度，微键合区是一种空间多元结构“引线材料—扩散层—基垫材料”。3．超声键合工艺参数与键合微结构的演变规律：在其它条件不变的情况下，随着超声功率的增加，键合界面周边脊皱加剧；随着压力增大，键合椭圆环逐步延伸扩大，脊皱键合区的面积增加；随着键合时间的延长，脊皱延伸为完整的圆环，并向中央扩展。键合过程的实时功率特性反应了超声能量的传递，转化状态，可为超声键合可靠性提供了监测思路。4．发现了Al／Au／Ag材料体系中常规的“芯片植球”模式热声倒装键合上界面扩散层厚是下界面的2倍多，通过对界面扩散数据的统计分析，获得了上、下界面超声能转化的比率关系，即为：D1：D2=(sum from k=1 to k=N D1（k）/N)：(sum from k=1 to k=N D2（k）/N)≈2．28：1，且EDS测试上界面（Al／Au）扩散层为金属间化合物；针对键合层的扩散状况，根据超声能转化的比率关系，提出并试验了“基板传能”和“基板植球”模式的热声倒装键合，结果表明新模式倒装可使二界面扩散层厚基本一致，且Au/Al金属间化合物减少一倍。本论文的研究工作，为超声键合装备与工艺技术设计、键合过程实时监测以及超声键合过程物理规律的技术实现提供理论参考，期望对高密高性能微/光电子封装互连装备技术的发展有所裨益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及研究目的
• 1.2 超声键合的研究现状
• 1.2.1 超声引线键合机理与规律研究现状
• 1.2.2 热声倒装键合及研究现状
• 1.3 本论文研究内容
• 第二章 超声键合界面快速形成机理
• 2.1 超声振动激活金属材料位错的观察
• 2.1.1 超声能激活金属材料晶格位错
• 2.1.2 高频超声振动加速度与位错
• 2.2 原子扩散体系的激活能及快速通道机制
• 2.2.1 原子扩散体系的激活能
• 2.2.2 位错管道快速扩散形成机制
• 2.2.3 位错的滑移特性分析
• 2.3 超声界面快速扩散通道机理
• 2.3.1 超声键合界面快速通道扩散机理
• 2.3.2 实时超声功率特性与扩散机理的相关表征
• 2.3.3 超声键合高速高可靠特性
• 2.4 本章小结
• 第三章 扩散键合界面强度构成与演变规律
• 3.1 界面原子扩散层厚与微结构强度构成
• 3.1.1 界面扩散层厚的STEM测试
• 3.1.2 界面的分离失效特性与界面强度的空间组成
• 3.2 超声键合过程多参数与键合界面微结构演变规律
• 3.2.1 微键合点一焊与二焊特性
• 3.2.2 键合界面环带结构与有限元仿真分析
• 3.2.3 界面微结构演变特性
• 3.3 超声键合系统阻抗/功率特性
• 3.3.1 超声驱动信号采集系统
• 3.3.2 实时超声阻抗/功率的计算与分析
• 3.3.3 键合过程的功率特性
• 3.3.4 高功率过键合失效分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 热声倒装界面规律与键合工具设计
• 4.1 热声倒装实验平台的搭建
• 4.2 多点芯片热声倒装键合的实现
• 4.3 倒装凸点的热声植球工艺探索 了
• 4.4 倒装界面、键合工具、工艺的协同
• 4.5 本章小结
• 第五章 倒装多界面超声传递规律与新工艺
• 5.1 倒装二键合界面TEM特性与界面扩散
• 5.2 倒装二界面性能分析与工艺新构思
• 5.3 基板传能与基板植球倒装实现与传能规律
• 5.3.1 "基板传能"模式倒装工艺
• 5.3.2 "基板檀球"模式倒装工艺
• 5.4 热声倒装二界面传能规律分析
• 5.4.1 二界面传能的量值差异
• 5.4.2 多界面运动传递与能量转化规律分析
• 5.5 热声倒装键合过程多参数影响规律
• 5.5.1 超声功率的键合窗口
• 5.5.2 键合时间的键合窗口
• 5.5.3 键合压力的键合窗口
• 5.6 本章小结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间发表的论文
• 研究项目与专利