芯片鍵合換能系統(tǒng)動力學特性與優(yōu)化設計研究.pdf

1、半導體器件制造是國家各支柱產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎，是發(fā)展國民經(jīng)濟、信息安全、民用與軍用電子產(chǎn)品等領域的關鍵。當前，包括單點引線與多點倒裝的超聲鍵合構成半導體器件制造的主要封裝形式。換能系統(tǒng)是超聲鍵合工藝與裝備的核心執(zhí)行機構，其動力學特性與能量傳遞過程直接決定鍵合質(zhì)量。本課題受國家自然基金重大項目“芯片封裝界面制造過程多參數(shù)影響規(guī)律與控制(50390064)”、國家973重點基礎規(guī)劃“高性能電子產(chǎn)品設計制造精微化數(shù)字化新原理和新方法”(2003C

2、B7 16202)”等項目支持。全篇論文以提高芯片鍵合質(zhì)量為目標，以提高換能系統(tǒng)工作性能與能量傳遞效率為核心，主要討論了封裝過程換能系統(tǒng)動力學行為、超聲能量傳遞規(guī)律、以及系統(tǒng)優(yōu)化與設計等理論與技術問題。 第一，采用等效電路方法，構建了換能系統(tǒng)阻抗與導納動力學模型。基于力電類比方法建立各子部分機械阻抗，以此建立包含系統(tǒng)材料、尺寸、固有頻率以及負載等參數(shù)的阻抗與導納集總參數(shù)模型。基于構建的理論模型，數(shù)值計算換能系統(tǒng)在空載與工作條件下

3、固有頻率、阻抗與導納等動力學特性，并在實驗上給予驗證。阻抗模型計算較好地解釋了空載與工作下系統(tǒng)消耗超聲能量的差異。利用阻抗與導納模型，分析并獲得了各結構參數(shù)對系統(tǒng)工作頻率與阻抗的影響規(guī)律。 第二，建立換能系統(tǒng)的有限元模型，研究了換能系統(tǒng)振動模態(tài)與響應特性。在概括壓電材料結構有限元方法的理論基礎上，利用有限單元法構建[壓電陶瓷-過渡段-變幅桿-鍵合工具-界面]整個系統(tǒng)的動力學仿真模型，研究系統(tǒng)固有模態(tài)特性與響應行為。仿真計算并獲得

4、了換能系統(tǒng)的工作模態(tài)，發(fā)現(xiàn)工作模態(tài)以軸向振動為主，同時受到非軸向振動的影響；此外，工作模態(tài)附近包含多種非軸向模態(tài)，造成換能系統(tǒng)的多模態(tài)與頻率混疊效應。多模態(tài)響應與多頻率混疊是導致系統(tǒng)工作性能下降的主要原因之一。建立了換能系統(tǒng)響應模型，對能量輸入與輸出關系起著預測指導作用。 第三，構建了系統(tǒng)的多路同步觸發(fā)集成測試平臺，通過電流傳感器、多通道數(shù)字示波器、高頻數(shù)據(jù)采集卡、激光多譜勒測振儀等獲取鍵合過程各特性參數(shù)?；趯崪y數(shù)據(jù)，獲得了實

5、際鍵合過程系統(tǒng)阻抗與功率的時變特性，其中實測阻抗驗證了基于等效電路方法的阻抗模型的計算結果。應用時頻聯(lián)合分析方法研究鍵合過程超聲能量在時一頻域的動態(tài)變化，獲得了超聲能量的時變特性對鍵合質(zhì)量的影響規(guī)律，即單一、平穩(wěn)的超聲能量變化促成鍵合成功，而多諧波、無規(guī)律、雜亂的超聲能量導致鍵合失敗。 第四，利用非接觸式激光多譜勒測振儀等實驗手段提取不同負載條件下?lián)Q能桿和鍵合工具末端不同方向的響應速度，從實驗上獲得非軸向振動對軸向工作模態(tài)的影響

6、程度，以及多模態(tài)導致的鍵合工具運動軌跡。獲得了多模態(tài)特性對鍵合質(zhì)量的影響規(guī)律，即非軸向振動對軸向工作模態(tài)影響程度的增加將降低鍵合質(zhì)量，如鍵合強度下降、連接面積過大、芯片傾斜等。最后剖析了多模態(tài)響應產(chǎn)生的原因，并提出抑制方法與建議。 第五，推導與總結了換能系統(tǒng)結構設計的理論依據(jù)，介紹了系統(tǒng)裝配過程。采用模態(tài)頻率靈敏度方法優(yōu)化設計了系統(tǒng)結構，實現(xiàn)了系統(tǒng)軸向工作模態(tài)與非軸向振動模態(tài)的分離，有效地解決了系統(tǒng)頻率混疊與多模態(tài)問題。基于整體