基于界面變形及微觀接觸的熱超聲鍵合機(jī)理研究.pdf

1、熱超聲鍵合技術(shù)始于上世紀(jì)70年代，是微電子封裝中最重要的芯片互連技術(shù)之一。工業(yè)界在長(zhǎng)期的生產(chǎn)中積累了豐富的工藝認(rèn)識(shí)和參數(shù)選擇經(jīng)驗(yàn)，但隨著引線鍵合技術(shù)不斷向細(xì)間距、高效率和高可靠性方向發(fā)展，已有認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)已不能適應(yīng)現(xiàn)代電子封裝對(duì)互連技術(shù)所提出的要求，具體表現(xiàn)在對(duì)熱超聲鍵合機(jī)理缺乏系統(tǒng)闡述，使得鍵合工藝的發(fā)展和設(shè)備創(chuàng)新缺乏基本依據(jù)。 熱超聲鍵合界面的連接強(qiáng)度是影響鍵合可靠性的關(guān)鍵因素之一，也是進(jìn)行熱超聲鍵合機(jī)理研究的主要關(guān)注點(diǎn)，但鍵合

2、界面本質(zhì)上依賴何種因素才得以形成連接、超聲能量對(duì)連接形成的作用機(jī)制、高頻超聲振動(dòng)引起的界面復(fù)雜接觸現(xiàn)象及其對(duì)連接的影響等核心問題至今尚未解決。本文綜合應(yīng)用材料力學(xué)、接觸力學(xué)和擴(kuò)散等基礎(chǔ)理論，進(jìn)行熱超聲鍵合、焊點(diǎn)拉剪破壞及界面微觀形貌觀測(cè)等實(shí)驗(yàn)，建立考慮超聲軟化機(jī)制的材料本構(gòu)模型、界面摩擦動(dòng)力學(xué)模型、界面的微觀接觸及其孔隙閉合模型，圍繞界面連接強(qiáng)度的形成機(jī)制，研究鍵合界面變形規(guī)律、滑動(dòng)接觸現(xiàn)象、界面真實(shí)接觸的形成及增長(zhǎng)規(guī)律，最后提出并驗(yàn)證

3、基于界面變形及微觀接觸的鍵合強(qiáng)度的計(jì)算方法，為鍵合工藝的發(fā)展和設(shè)備創(chuàng)新提供依據(jù)，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。 1.熱超聲鍵合的基礎(chǔ)性科學(xué)問題研究 本文針對(duì)兩個(gè)方面的基礎(chǔ)性科學(xué)問題進(jìn)行了研究，即熱超聲鍵合中材料的力學(xué)行為特征和高頻超聲振動(dòng)下鍵合界面的復(fù)雜接觸現(xiàn)象。 (1)考慮超聲軟化機(jī)制的材料本構(gòu)模型 熱超聲鍵合中材料的力學(xué)行為特征是研究界面塑性變形和微觀接觸的基礎(chǔ)。鍵合工藝的發(fā)展使已有材料本構(gòu)模型在模擬

4、熱超聲鍵合條件下的材料力學(xué)行為特征存在誤差，且超聲能量的引入使鍵合中材料的力學(xué)行為更加特殊。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)金的Takahashi本構(gòu)模型進(jìn)行擴(kuò)展，使其適合于熱超聲鍵合的分析；根據(jù)理論分析和熱超聲鍵合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在擴(kuò)展的Takahashi模型基礎(chǔ)上提出考慮超聲軟化機(jī)制的本構(gòu)模型，將其數(shù)值化，通過(guò)比較數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證了模型的正確性。 (2)鍵合界面的滑動(dòng)接觸與局部微滑現(xiàn)象 基于鍵合界面的能量傳遞規(guī)律建立界面摩

5、擦動(dòng)力學(xué)模型，揭示出界面“粘-滑”交替與局部微滑是高頻超聲振動(dòng)下界面復(fù)雜接觸現(xiàn)象的兩種基本表現(xiàn)形式；預(yù)壓力和超聲功率兩個(gè)參數(shù)的匹配情況則是判斷兩者是否產(chǎn)生的依據(jù)。推導(dǎo)鍵合界面存在相對(duì)滑動(dòng)摩擦?xí)r的溫升計(jì)算方程，和存在局部微滑時(shí)的能量耗散方程：根據(jù)熱超聲鍵合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)局部微滑引起的能量耗散與鍵合初期的連接強(qiáng)度直接相關(guān)，且存在冪指數(shù)的函數(shù)關(guān)系，局部微滑理論可針對(duì)界面連接優(yōu)先在接觸面邊緣部位產(chǎn)生這一現(xiàn)象給出合理解釋。 2.影響鍵合界

6、面連接強(qiáng)度的本質(zhì)因素研究 本文建立界面塑性變形與連接強(qiáng)度之間的關(guān)系方程和表征界面微觀接觸現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，并提出界面的變形及微觀接觸現(xiàn)象為影響連接強(qiáng)度的本質(zhì)因素。 (1)界面變形規(guī)律及其與連接強(qiáng)度的關(guān)系方程 基于考慮超聲軟化機(jī)制的材料本構(gòu)模型建立熱超聲鍵合的熱力耦合3D仿真模型，研究鍵合過(guò)程中界面應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化情況，發(fā)現(xiàn)鍵合界面的壓應(yīng)力在接觸面邊緣部位產(chǎn)生較大的峰值，與SEM中觀測(cè)到該部位出現(xiàn)“彈坑”或在剪切

7、破壞實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)基板層撕裂的現(xiàn)象相吻合。引入并演化固相壓力連接強(qiáng)度基本方程，使其可適用于熱超聲鍵合強(qiáng)度的求解，利用局部微滑理論對(duì)該基本方程進(jìn)行修正，有效地避免了鍵合界面變形分布的強(qiáng)不均勻性對(duì)強(qiáng)度計(jì)算的影響；修正后的方程可用于鍵合強(qiáng)度的初步計(jì)算，但普遍比實(shí)驗(yàn)值偏大。 (2)鍵合中真實(shí)接觸面的形成及其增長(zhǎng)規(guī)律 針對(duì)Horng彈塑性微接觸模型給出的面積和壓力函數(shù)在彈性和塑性的轉(zhuǎn)變過(guò)程中存在不連續(xù)現(xiàn)象進(jìn)行修正，根據(jù)修正后模型求解鍵

8、合界面的初始接觸面積，發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)壓力的增加，初始接觸面積成線性增長(zhǎng)，但接觸率先增大后減??；隨著超聲功率增加，初始接觸面積逐漸增大，但接觸率一直下降。在對(duì)孔隙幾何及其閉合過(guò)程進(jìn)行合理假設(shè)的基礎(chǔ)之上，推導(dǎo)粘塑性變形和界面擴(kuò)散機(jī)制下的孔隙閉合速率方程，對(duì)真實(shí)接觸面的增長(zhǎng)進(jìn)行了求解，發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)壓力的增大，孔隙頸部區(qū)域的應(yīng)力梯度增大，從而擴(kuò)散作用增強(qiáng)，同時(shí)粘塑性變形機(jī)制也更加明顯；隨著超聲能量的增加，材料軟化程度增加，更易發(fā)生粘塑性變形，所以預(yù)壓

9、力或超聲能量增大時(shí)，連接面積的增長(zhǎng)量均逐漸增大。 3.基于本質(zhì)因素的鍵合強(qiáng)度計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在基礎(chǔ)性研究和本質(zhì)因素研究的基礎(chǔ)之上，利用接觸率參數(shù)修正界面變形與連接強(qiáng)度之間的關(guān)系方程，完整提出包含界面變形和微觀接觸現(xiàn)象兩種本質(zhì)因素的熱超聲鍵合強(qiáng)度計(jì)算方法；進(jìn)行熱超聲鍵合實(shí)驗(yàn)，包括正交試驗(yàn)和單一參數(shù)對(duì)鍵合強(qiáng)度和IMC覆蓋率的影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)：通過(guò)比較試驗(yàn)結(jié)果與模型的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算可較好地預(yù)測(cè)超聲功率和預(yù)壓力參數(shù)對(duì)連接強(qiáng)度的影響規(guī)律