芯片鍵合換能系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、半導(dǎo)體器件制造是國(guó)家各支柱產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)、信息安全、民用與軍用電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的關(guān)鍵。當(dāng)前，包括單點(diǎn)引線與多點(diǎn)倒裝的超聲鍵合構(gòu)成半導(dǎo)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(jī)構(gòu)，其動(dòng)力學(xué)特性與能量傳遞過(guò)程直接決定鍵合質(zhì)量。本課題受國(guó)家自然基金重大項(xiàng)目“芯片封裝界面制造過(guò)程多參數(shù)影響規(guī)律與控制(50390064)”、國(guó)家973重點(diǎn)基礎(chǔ)規(guī)劃“高性能電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造精微化數(shù)字化新原理和新方法”(2003C

2、B7 16202)”等項(xiàng)目支持。全篇論文以提高芯片鍵合質(zhì)量為目標(biāo)，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(guò)程換能系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為、超聲能量傳遞規(guī)律、以及系統(tǒng)優(yōu)化與設(shè)計(jì)等理論與技術(shù)問題。 第一，采用等效電路方法，構(gòu)建了換能系統(tǒng)阻抗與導(dǎo)納動(dòng)力學(xué)模型?；诹﹄婎惐确椒ń⒏髯硬糠謾C(jī)械阻抗，以此建立包含系統(tǒng)材料、尺寸、固有頻率以及負(fù)載等參數(shù)的阻抗與導(dǎo)納集總參數(shù)模型?；跇?gòu)建的理論模型，數(shù)值計(jì)算換能系統(tǒng)在空載與工作條件下

3、固有頻率、阻抗與導(dǎo)納等動(dòng)力學(xué)特性，并在實(shí)驗(yàn)上給予驗(yàn)證。阻抗模型計(jì)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(dǎo)納模型，分析并獲得了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(dòng)模態(tài)與響應(yīng)特性。在概括壓電材料結(jié)構(gòu)有限元方法的理論基礎(chǔ)上，利用有限單元法構(gòu)建[壓電陶瓷-過(guò)渡段-變幅桿-鍵合工具-界面]整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，研究系統(tǒng)固有模態(tài)特性與響應(yīng)行為。仿真計(jì)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(dòng)為主，同時(shí)受到非軸向振動(dòng)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(yīng)。多模態(tài)響應(yīng)與多頻率混疊是導(dǎo)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(yīng)模型，對(duì)能量輸入與輸出關(guān)系起著預(yù)測(cè)指導(dǎo)作用。 第三，構(gòu)建了系統(tǒng)的多路同步觸發(fā)集成測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)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(cè)振儀等獲取鍵合過(guò)程各特性參數(shù)?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，獲得了實(shí)

5、際鍵合過(guò)程系統(tǒng)阻抗與功率的時(shí)變特性，其中實(shí)測(cè)阻抗驗(yàn)證了基于等效電路方法的阻抗模型的計(jì)算結(jié)果。應(yīng)用時(shí)頻聯(lián)合分析方法研究鍵合過(guò)程超聲能量在時(shí)一頻域的動(dòng)態(tài)變化，獲得了超聲能量的時(shí)變特性對(duì)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(wú)規(guī)律、雜亂的超聲能量導(dǎo)致鍵合失敗。 第四，利用非接觸式激光多譜勒測(cè)振儀等實(shí)驗(yàn)手段提取不同負(fù)載條件下?lián)Q能桿和鍵合工具末端不同方向的響應(yīng)速度，從實(shí)驗(yàn)上獲得非軸向振動(dòng)對(duì)軸向工作模態(tài)的影響

6、程度，以及多模態(tài)導(dǎo)致的鍵合工具運(yùn)動(dòng)軌跡。獲得了多模態(tài)特性對(duì)鍵合質(zhì)量的影響規(guī)律，即非軸向振動(dòng)對(duì)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(qiáng)度下降、連接面積過(guò)大、芯片傾斜等。最后剖析了多模態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生的原因，并提出抑制方法與建議。 第五，推導(dǎo)與總結(jié)了換能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，介紹了系統(tǒng)裝配過(guò)程。采用模態(tài)頻率靈敏度方法優(yōu)化設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)軸向工作模態(tài)與非軸向振動(dòng)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?；谡w