基于界面變形及微觀接觸的熱超聲鍵合機理研究.pdf

1、熱超聲鍵合技術始于上世紀70年代，是微電子封裝中最重要的芯片互連技術之一。工業(yè)界在長期的生產中積累了豐富的工藝認識和參數選擇經驗，但隨著引線鍵合技術不斷向細間距、高效率和高可靠性方向發(fā)展，已有認知經驗已不能適應現代電子封裝對互連技術所提出的要求，具體表現在對熱超聲鍵合機理缺乏系統(tǒng)闡述，使得鍵合工藝的發(fā)展和設備創(chuàng)新缺乏基本依據。 熱超聲鍵合界面的連接強度是影響鍵合可靠性的關鍵因素之一，也是進行熱超聲鍵合機理研究的主要關注點，但鍵合

2、界面本質上依賴何種因素才得以形成連接、超聲能量對連接形成的作用機制、高頻超聲振動引起的界面復雜接觸現象及其對連接的影響等核心問題至今尚未解決。本文綜合應用材料力學、接觸力學和擴散等基礎理論，進行熱超聲鍵合、焊點拉剪破壞及界面微觀形貌觀測等實驗，建立考慮超聲軟化機制的材料本構模型、界面摩擦動力學模型、界面的微觀接觸及其孔隙閉合模型，圍繞界面連接強度的形成機制，研究鍵合界面變形規(guī)律、滑動接觸現象、界面真實接觸的形成及增長規(guī)律，最后提出并驗證

3、基于界面變形及微觀接觸的鍵合強度的計算方法，為鍵合工藝的發(fā)展和設備創(chuàng)新提供依據，具有重要的理論價值和實踐意義。 1.熱超聲鍵合的基礎性科學問題研究 本文針對兩個方面的基礎性科學問題進行了研究，即熱超聲鍵合中材料的力學行為特征和高頻超聲振動下鍵合界面的復雜接觸現象。 (1)考慮超聲軟化機制的材料本構模型 熱超聲鍵合中材料的力學行為特征是研究界面塑性變形和微觀接觸的基礎。鍵合工藝的發(fā)展使已有材料本構模型在模擬

4、熱超聲鍵合條件下的材料力學行為特征存在誤差，且超聲能量的引入使鍵合中材料的力學行為更加特殊。根據相關實驗數據，對金的Takahashi本構模型進行擴展，使其適合于熱超聲鍵合的分析；根據理論分析和熱超聲鍵合實驗結果，在擴展的Takahashi模型基礎上提出考慮超聲軟化機制的本構模型，將其數值化，通過比較數值分析結果與實驗結果來驗證了模型的正確性。 (2)鍵合界面的滑動接觸與局部微滑現象 基于鍵合界面的能量傳遞規(guī)律建立界面摩

5、擦動力學模型，揭示出界面“粘-滑”交替與局部微滑是高頻超聲振動下界面復雜接觸現象的兩種基本表現形式；預壓力和超聲功率兩個參數的匹配情況則是判斷兩者是否產生的依據。推導鍵合界面存在相對滑動摩擦時的溫升計算方程，和存在局部微滑時的能量耗散方程：根據熱超聲鍵合實驗結果，發(fā)現局部微滑引起的能量耗散與鍵合初期的連接強度直接相關，且存在冪指數的函數關系，局部微滑理論可針對界面連接優(yōu)先在接觸面邊緣部位產生這一現象給出合理解釋。 2.影響鍵合界

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

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

8、合界面的初始接觸面積，發(fā)現隨著預壓力的增加，初始接觸面積成線性增長，但接觸率先增大后減小；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。在對孔隙幾何及其閉合過程進行合理假設的基礎之上，推導粘塑性變形和界面擴散機制下的孔隙閉合速率方程，對真實接觸面的增長進行了求解，發(fā)現隨著預壓力的增大，孔隙頸部區(qū)域的應力梯度增大，從而擴散作用增強，同時粘塑性變形機制也更加明顯；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，所以預壓

9、力或超聲能量增大時，連接面積的增長量均逐漸增大。 3.基于本質因素的鍵合強度計算與實驗驗證在基礎性研究和本質因素研究的基礎之上，利用接觸率參數修正界面變形與連接強度之間的關系方程，完整提出包含界面變形和微觀接觸現象兩種本質因素的熱超聲鍵合強度計算方法；進行熱超聲鍵合實驗，包括正交試驗和單一參數對鍵合強度和IMC覆蓋率的影響規(guī)律實驗：通過比較試驗結果與模型的計算結果，發(fā)現理論計算可較好地預測超聲功率和預壓力參數對連接強度的影響規(guī)律