超聲鍵合界面微結(jié)構(gòu)生成機(jī)理與規(guī)律研究.pdf

1、本論文以超聲鍵合界面為對(duì)象，系統(tǒng)研究了引線鍵合和熱聲倒裝鍵合界面的生成機(jī)理，解決了鍵合點(diǎn)縱截面透射電鏡(TEM)樣品制作的難題，觀察到超聲能作用下界面材料位錯(cuò)密度增加的現(xiàn)象，探討了超聲鍵合快速形成的微觀機(jī)制，剖析了鍵合點(diǎn)微結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)成；采集了超聲驅(qū)動(dòng)的電壓/電流信號(hào)，得到了鍵合過(guò)程實(shí)時(shí)的超聲功率，阻抗特性；研究了熱聲倒裝上/下界面的原子擴(kuò)散狀況，發(fā)現(xiàn)了上/下界面擴(kuò)散的非均勻性，試驗(yàn)了多種模式的熱聲倒裝新工藝，提出了二界面擴(kuò)散層厚度一致

2、的工藝路線，獲得了熱聲倒裝鍵合點(diǎn)界面超聲能傳遞，轉(zhuǎn)化的比率規(guī)律。 研究工作主要包括如下幾個(gè)部分： 1.超聲鍵合界面快速形成機(jī)理：從鍵合界面的TEM測(cè)試觀察到超聲鍵合層位錯(cuò)密度劇烈增加的現(xiàn)象，證實(shí)超聲鍵合界面間為位錯(cuò)擴(kuò)散，位錯(cuò)引起晶格畸變，具有較低的擴(kuò)散激活能，極易擴(kuò)散，且，晶格位錯(cuò)是一種快速擴(kuò)散的通道機(jī)制，位錯(cuò)密度的增加也表明鍵合過(guò)程中未發(fā)生高溫回火而使位錯(cuò)消失，說(shuō)明超聲鍵合是在回火溫度以下的原子擴(kuò)散過(guò)程，闡明了基于表面

3、擴(kuò)散、位錯(cuò)擴(kuò)散的超聲快速鍵合機(jī)理。 2.高分辨透射電鏡(HRTEM)的掃描透射(STEM)模式下，測(cè)試到鍵合界面原子擴(kuò)散層為200-500nm，表征鍵合界面強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的生成；鍵合區(qū)在拉力作用下分離界面形如環(huán)帶狀，周邊脊皺形成強(qiáng)的鍵合，并有明顯的斷裂韌窩，互擴(kuò)散原子在對(duì)偶材料晶體中產(chǎn)生固溶(或合金)強(qiáng)化，引起晶體晶格常數(shù)改變，其強(qiáng)度大于基體材料的強(qiáng)度，微鍵合區(qū)是一種空間多元結(jié)構(gòu)“引線材料-擴(kuò)散層-基墊材料”。 3.超聲鍵合工

4、藝參數(shù)與鍵合微結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律：在其它條件不變的情況下，隨著超聲功率的增加，鍵合界面周邊脊皺加??；隨著壓力增大，鍵合橢圓環(huán)逐步延伸擴(kuò)大，脊皺鍵合區(qū)的面積增加；隨著鍵合時(shí)間的延長(zhǎng)，脊皺延伸為完整的圓環(huán)，并向中央擴(kuò)展。鍵合過(guò)程的實(shí)時(shí)功率特性反應(yīng)了超聲能量的傳遞/轉(zhuǎn)化狀態(tài)，可為超聲鍵合可靠性提供了監(jiān)測(cè)思路。 4.發(fā)現(xiàn)了Al/Au/Ag材料體系中常規(guī)的“芯片植球”模式熱聲倒裝鍵合上界面擴(kuò)散層厚是下界面的2倍多，通過(guò)對(duì)界面擴(kuò)散數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

5、，獲得了上、下界面超聲能轉(zhuǎn)化的比率關(guān)系，即為：D1∶D2=(k=N∑k=1 D1(k)/N)∶(k=N∑k=1 D2(K)/N)≈2.28∶1，且EDS測(cè)試上界面(Al/Au)擴(kuò)散層為金屬間化合物；針對(duì)鍵合層的擴(kuò)散狀況，根據(jù)超聲能轉(zhuǎn)化的比率關(guān)系，提出并試驗(yàn)了“基板傳能”和“基板植球”模式的熱聲倒裝鍵合，結(jié)果表明新模式倒裝可使二界面擴(kuò)散層厚基本一致，且Au/Al金屬間化合物減少一倍。 本論文的研究工作，為超聲鍵合裝備與工藝技術(shù)設(shè)計(jì)