基于界面变形及微观接触的热超声键合机理研究

论文摘要

热超声键合技术始于上世纪70年代,是微电子封装中最重要的芯片互连技术之一。工业界在长期的生产中积累了丰富的工艺认识和参数选择经验,但随着引线键合技术不断向细间距、高效率和高可靠性方向发展,已有认知经验已不能适应现代电子封装对互连技术所提出的要求,具体表现在对热超声键合机理缺乏系统阐述,使得键合工艺的发展和设备创新缺乏基本依据。热超声键合界面的连接强度是影响键合可靠性的关键因素之一,也是进行热超声键合机理研究的主要关注点,但键合界面本质上依赖何种因素才得以形成连接、超声能量对连接形成的作用机制、高频超声振动引起的界面复杂接触现象及其对连接的影响等核心问题至今尚未解决。本文综合应用材料力学、接触力学和扩散等基础理论,进行热超声键合、焊点拉剪破坏及界面微观形貌观测等实验,建立考虑超声软化机制的材料本构模型、界面摩擦动力学模型、界面的微观接触及其孔隙闭合模型,围绕界面连接强度的形成机制,研究键合界面变形规律、滑动接触现象、界面真实接触的形成及增长规律,最后提出并验证基于界面变形及微观接触的键合强度的计算方法,为键合工艺的发展和设备创新提供依据,具有重要的理论价值和实践意义。1.热超声键合的基础性科学问题研究本文针对两个方面的基础性科学问题进行了研究,即热超声键合中材料的力学行为特征和高频超声振动下键合界面的复杂接触现象。（1）考虑超声软化机制的材料本构模型热超声键合中材料的力学行为特征是研究界面塑性变形和微观接触的基础。键合工艺的发展使已有材料本构模型在模拟热超声键合条件下的材料力学行为特征存在误差,且超声能量的引入使键合中材料的力学行为更加特殊。根据相关实验数据,对金的Takahashi本构模型进行扩展,使其适合于热超声键合的分析;根据理论分析和热超声键合实验结果,在扩展的Takahashi模型基础上提出考虑超声软化机制的本构模型,将其数值化,通过比较数值分析结果与实验结果来验证了模型的正确性。（2）键合界面的滑动接触与局部微滑现象基于键合界面的能量传递规律建立界面摩擦动力学模型,揭示出界面“粘-滑”交替与局部微滑是高频超声振动下界面复杂接触现象的两种基本表现形式;预压力和超声功率两个参数的匹配情况则是判断两者是否产生的依据。推导键合界面存在相对滑动摩擦时的温升计算方程,和存在局部微滑时的能量耗散方程;根据热超声键合实验结果,发现局部微滑引起的能量耗散与键合初期的连接强度直接相关,且存在幂指数的函数关系,局部微滑理论可针对界面连接优先在接触面边缘部位产生这一现象给出合理解释。2.影响键合界面连接强度的本质因素研究本文建立界面塑性变形与连接强度之间的关系方程和表征界面微观接触现象的数学模型,并提出界面的变形及微观接触现象为影响连接强度的本质因素。（1）界面变形规律及其与连接强度的关系方程基于考虑超声软化机制的材料本构模型建立热超声键合的热力耦合3D仿真模型,研究键合过程中界面应力场和温度场的变化情况,发现键合界面的压应力在接触面边缘部位产生较大的峰值,与SEM中观测到该部位出现“弹坑”或在剪切破坏实验中出现基板层撕裂的现象相吻合。引入并演化固相压力连接强度基本方程,使其可适用于热超声键合强度的求解,利用局部微滑理论对该基本方程进行修正,有效地避免了键合界面变形分布的强不均匀性对强度计算的影响;修正后的方程可用于键合强度的初步计算,但普遍比实验值偏大。（2）键合中真实接触面的形成及其增长规律针对Horng弹塑性微接触模型给出的面积和压力函数在弹性和塑性的转变过程中存在不连续现象进行修正,根据修正后模型求解键合界面的初始接触面积,发现随着预压力的增加,初始接触面积成线性增长,但接触率先增大后减小;随着超声功率增加,初始接触面积逐渐增大,但接触率一直下降。在对孔隙几何及其闭合过程进行合理假设的基础之上,推导粘塑性变形和界面扩散机制下的孔隙闭合速率方程,对真实接触面的增长进行了求解,发现随着预压力的增大,孔隙颈部区域的应力梯度增大,从而扩散作用增强,同时粘塑性变形机制也更加明显;随着超声能量的增加,材料软化程度增加,更易发生粘塑性变形,所以预压力或超声能量增大时,连接面积的增长量均逐渐增大。3.基于本质因素的键合强度计算与实验验证在基础性研究和本质因素研究的基础之上,利用接触率参数修正界面变形与连接强度之间的关系方程,完整提出包含界面变形和微观接触现象两种本质因素的热超声键合强度计算方法;进行热超声键合实验,包括正交试验和单一参数对键合强度和IMC覆盖率的影响规律实验;通过比较试验结果与模型的计算结果,发现理论计算可较好地预测超声功率和预压力参数对连接强度的影响规律,从而验证了该计算方法的正确性。本文在充分吸收和借鉴前人成果的基础之上,系统研究热超声键合过程中材料性质、界面变形和微观接触等几个基本科学问题,揭示了热、力和超声耦合作用下材料的力学行为和键合界面的复杂接触现象及其对连接强度的影响,研究界面塑性变形规律和真实接触面的形成与增长规律,提出热超声键合强度的计算方法,并进行实验验证,从而较系统地阐述了热超声键合机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.1.1 热超声键合概述
• 1.1.2 热超声键合的应用现状及其发展趋势
• 1.1.3 工程应用对其机理研究提出的新问题
• 1.2 热超声键合机理研究现状
• 1.2.1 热超声键合的本质属性
• 1.2.2 键合中材料的力学行为
• 1.2.3 键合界面的接触现象
• 1.2.4 真实接触面的形成与增长
• 1.2.5 研究现状总结
• 1.3 课题的研究思路与研究内容
• 1.3.1 研究思路
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 热、力和超声耦合下材料的力学行为
• 2.1 引言
• 2.2 材料的一般力学行为
• 2.2.1 金试样压缩试验分析
• 2.2.2 热力作用下的本构模型
• 2.2.3 本构模型的数值化及其验证
• 2.3 考虑超声软化机制的本构模型
• 2.3.1 超声软化材料实验
• 2.3.2 考虑超声软化机制的本构模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 键合界面接触现象与热超声键合模型
• 3.1 引言
• 3.2 键合界面的接触现象
• 3.2.1 界面的整体滑动接触
• 3.2.2 界面的局部微观滑动
• 3.3 热超声键合有限元模型
• 3.3.1 仿真模型的建立
• 3.3.2 边界条件与材料性质
• 3.3.3 计算步骤与载荷参数
• 3.4 本章小结
• 第四章 键合界面变形及其对连接强度的影响
• 4.1 引言
• 4.2 热力耦合分析的基本结果
• 4.2.1 键合力的波动特征
• 4.2.2 键合界面的应力变化
• 4.2.3 键合界面的温度变化
• 4.3 界面变形对连接强度的影响规律
• 4.3.1 键合强度基本方程
• 4.3.2 键合参数对界面变形的影响
• 4.3.3 连接强度变化规律的初步分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 键合过程中真实接触面的形成与增长
• 5.1 引言
• 5.2 键合中真实接触面的形成
• 5.2.1 界面微接触理论方程
• 5.2.2 键合界面的初始接触面积
• 5.3 键合中真实接触面的增长
• 5.3.1 界面孔隙闭合机制
• 5.3.2 界面孔隙几何及其变化
• 5.3.3 界面孔隙闭合速率方程
• 5.3.4 真实接触增长的求解
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于本质因素的键合强度计算与验证
• 6.1 引言
• 6.2 键合强度的计算方法
• 6.3 键合实验与计算强度验证
• 6.3.1 热超声键合实验
• 6.3.2 计算与实验值的比较
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 主要研究工作和结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间完成的学术论文