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適讀人群 ：《微電子封裝超聲鍵閤機理與技術》可作為微電子製造、信息器件與裝備、傳感器等專業的研究生學習參考書，也可作為微電子製造相關科研人員的參考書。
　　微電子封裝超聲鍵閤機理與技術可作為高等院校微電子製造工程專業的研究生參考書，也可供機械、材料、測控技術等領域從事微電子製造研究的科研人員使用和參考。

內容簡介

　　微電子封裝超聲鍵閤機理與技術是作者關於超聲鍵閤機理和技術研究的總結。主要內容包括：微電子製造的發展，超聲鍵閤在封裝互連中的地位、研究現狀、存在問題；換能係統的設計原則、仿真手段和實際使用中的特性測試；對超聲鍵閤微觀實驗現象以及機理的科學認識和推斷；熱超聲倒裝鍵閤工藝的技術研究；鍵閤過程和鍵閤動力學的檢測；疊層芯片互連；銅綫鍵閤、打火成球、引綫成形、超聲電源。

內頁插圖

目錄

前言第1章緒論11.1新技術革命浪潮下的微電子製造11.2現代微電子製造業中的封裝互連41.3微電子封裝測試和可靠性101.4微電子封裝互連的發展趨勢121.5超聲鍵閤機理與技術研究16參考文獻24第2章換能係統振動特性有限元分析252.1壓電材料結構的有限元方法252.2換能係統有限元模型282.3模態分析302.4諧響應分析41參考文獻43第3章換能係統多模態特性實驗研究443.1測試方法443.2測試結果463.3鍵閤工具響應振型與運動軌跡分析503.4多模態特性對鍵閤質量的影響523.5換能係統多模態産生原因及抑製建議55參考文獻59第4章換能係統優化與設計614.1基本結構尺寸計算614.2基於頻率靈敏度方法的係統結構優化654.3加工與裝配684.4設計實例69參考文獻74第5章PZT換能係統的特性和行為755.1換能係統等效電路與電學導納特性755.2阻抗分析儀測試換能係統的電學特性825.3加載電壓對PZT壓電換能器穩態電學特性的影響875.4環境溫度對PZT壓電換能器穩態電學特性的影響905.5連接鬆緊度對PZT壓電換能器穩態電學特性的影響935.6超聲換能係統的穩態響應與速度導納975.7超聲換能係統的實際加卸載過程1005.8超聲換能係統的俯仰振動1035.9劈刀的振動模態1105.10換能係統電學輸入的復數錶示1175.11實際引綫鍵閤過程換能係統的能量輸入122參考文獻125
第6章超聲鍵閤界麵快速形成機理1286.1超聲振動激活金屬材料位錯的觀察1286.2原子擴散體係的激活能及快速通道機製1346.3超聲界麵快速擴散通道機理143參考文獻146


第7章擴散鍵閤界麵強度構成與演變規律1487.1界麵原子擴散層厚與微結構強度構成1487.2超聲鍵閤過程多參數與鍵閤界麵微結構演變規律1557.3超聲鍵閤係統阻抗/功率特性164參考文獻175第8章熱超聲倒裝鍵閤界麵規律與鍵閤工具設計1768.1熱超聲倒裝實驗平颱的搭建1768.2多點芯片熱超聲倒裝鍵閤的實現1778.3倒裝凸點的熱超聲植球工藝探索1808.4倒裝界麵、鍵閤工具、工藝的協同181參考文獻183第9章倒裝多界麵超聲傳遞規律與新工藝1849.1倒裝二鍵閤界麵TEM特性與界麵擴散1849.2倒裝二界麵性能分析與工藝新構思1889.3基闆傳能與基闆植球倒裝實現與傳能規律1929.4熱超聲倒裝二界麵傳能規律分析1959.5熱超聲倒裝鍵閤過程多參數影響規律198參考文獻200第10章熱超聲倒裝鍵閤實驗係統及其相關技術20110.1熱超聲倒裝鍵閤試驗颱20110.2超聲在變幅杆�補ぞ咧械拇�遞20810.3超聲在倒裝界麵間的傳遞過程21510.4熱超聲倒裝鍵閤過程監測係統22910.5鍵閤過程監測係統數據采集和分析23710.6金凸點�埠概探緱嫻撓邢拊�模型及其求解24410.7鍵閤力和超聲振動對鍵閤麵應力分布的影響25010.8鍵閤強度的形成機理255參考文獻263
目錄· v ·· vi ·微電子封裝超聲鍵閤機理與技術
第11章熱超聲倒裝鍵閤工藝優化26611.1超聲功率對熱超聲倒裝鍵閤的影響26611.2鍵閤力對熱超聲倒裝鍵閤的影響27011.3鍵閤時間對熱超聲倒裝鍵閤的影響27311.4超聲作用下金凸點的變形測量27611.5熱超聲倒裝鍵閤的典型失效形式27911.6新型熱超聲倒裝鍵閤工藝的提齣28211.7階梯式鍵閤參數加載過程對倒裝鍵閤強度的影響283參考文獻291第12章引綫鍵閤過程的時頻分析29312.1新的解決方案——時頻分解29312.2鍵閤壓力改變對鍵閤強度的影響29912.3劈刀鬆緊度影響的時頻特徵32112.4換能係統俯仰振動的時頻特徵333參考文獻337第13章換能係統與鍵閤動力學的非綫性檢測與分析34013.1工藝窗口與非綫性過程34013.2鎖相非綫性34213.3換能係統的非平穩加載34513.4動力學係統的實驗建模與鍵閤工具對換能係統的非綫性作用34613.5加載邊界條件以及滑移/黏滯現象35113.6相關分析及其應用35413.7關聯維數分析及其應用35913.8鍵閤動力學細節判斷與認識36813.9Lyapunov指數分析及其應用377參考文獻381第14章加熱颱溫度引起對準誤差的檢測與消除38314.1熱超聲倒裝鍵閤機的視覺係統38414.2係列圖像的預處理和基本評價38714.3圖像整體抖動的Weibull模型39114.4圖像的錯位和畸變39514.5加熱條件下係列圖像的整體和局部運動40514.6吹氣裝置的實驗研究411參考文獻418第15章基於高速攝像的EFO打火成球實驗研究42115.1研究背景42115.2打火成球過程研究實驗係統42315.3球形成過程的分析42915.4高爾夫球形成規律實驗研究43815.5打火成球過程的熱能量利用估算447參考文獻459第16章三維疊層芯片的互連46116.1摩爾定律與疊層芯片互連46116.2壓電底座激振裝置46316.3激勵源與激振信號46416.4疊層芯片一階固有頻率的實驗判彆47316.5紅外測溫的可行性與加熱颱的升溫47916.6加熱升溫的建模與芯片結構測溫實驗結果48116.7疊層芯片引綫鍵閤動力學條件的討論489參考文獻491第17章懸臂鍵閤與銅綫互連49317.1超聲驅動電信號分析49317.2懸臂鍵閤芯片撓度及鍵閤點形貌特性49517.3懸臂鍵閤強度與界麵結構分析49717.4提高懸臂鍵閤強度的工藝研究49917.5銅綫懸臂鍵閤特性與規律50517.6Cu綫鍵閤界麵的微區X衍射與HRTEM測試與分析50917.7界麵Cu�睞l金屬化閤物形成條件及其晶體結構特性51117.8銅綫鍵閤界麵特性與鍵閤強度的關係51917.9Cu綫和Au綫鍵閤界麵微觀特性與性能比較519參考文獻524第18章引綫成形過程的研究52818.1引綫成形過程的研究現狀52818.2基於高速攝像的引綫成形過程實驗研究52918.3引綫成形過程的有限元分析558參考文獻573第19章基於FPGA的超聲發生器設計與實現57519.1超聲發生器的研究現狀57519.2超聲發生器的建模與仿真58119.3超聲發生器的頻率控製59419.4基於FPGA的智能超聲發生器設計60619.5智能超聲發生器的性能測試621參考文獻631

精彩書摘

　　第1章緒論〖1〗　　1��1新技術革命浪潮下的微電子製造　　製造業是將可用資源通過相應過程、轉化為可供使用的工業品或生活消費品的産業。作為經濟主要組成部分和財富主要來源的製造業，集成瞭人類的技術和工藝等多方麵的努力進展。中國是世界最重要的製造業大國，隨著世界製造業重心的轉移，一批重要的製造業基地正在中國崛起。中國的製造業吸收瞭一半的城市就業人口、一半的農村剩餘勞動力，財政收入的一半來自製造業。在未來10～20年，製造業將繼續經曆這一重大深刻改變，而製造者，尤其是中國的製造者，將麵臨更嚴峻的挑戰。　　1958年，美國德州儀器公司（Texas Instruments）的Kilby將半導體晶體管集中在同一芯片（圖1��1），由此誕生瞭集成電路（integrate circuit, IC）芯片。之後，高分辨率的光緻抗蝕劑（光刻膠，photo resist， PR）問世，光刻技術得到迅速發展，成為半導體器件和集成電路製造的關鍵工藝。　　圖1��1第一個晶體管和第一塊集成電路　　自20世紀60年代中期至今，矽基集成電路相繼經曆瞭小規模集成（small scale integration, SSI）、中等規模集成 （medium scale integration, MSI）、大規模集成 （large scale integration, LSI）和超大規模集成 （very large scale integration, VLSI）四個發展階段。單個IC的集成度由數個發展到十億個以上晶體管或門電路，輸入輸齣（I/O）數也由幾個發展到數百個甚至上韆個。半導體微電子器件在原理和製造工藝上的不斷突破，形成瞭具有強大生命力的信息技術産業，推動瞭以計算機（computer）、互聯網（internet）為代錶的信息技術的高速發展，為科學技術的許多領域注入瞭新的活力，徹底改變瞭人們的物質生活甚至精神生活方式。微電子工業已是21世紀的全球頭號産業，可稱為現代製造業的基礎之一。　　目前，集成電路對國民經濟的貢獻率遠高於其他門類的産品。例如，以單位質量鋼筋對國內生産總值（GDP）的貢獻為1計算，則小汽車為5，彩電為30，計算機為1000，而集成電路的貢獻率則高達2000。國民經濟總産值增長部分的65%與微電子有關。2000年，集成電路發明人Kilby獲得諾貝爾物理學奬，以集成電路為基礎的電子信息産業成為世界第一大産業。2001～2010年這10年間，我國集成電路産量的年均增長率超過25%，集成電路銷售額的年均增長率達到23%。2010年國內集成電路産量達到640億塊，銷售額超過1430億元，分彆是2001年的10倍和8倍。中國集成電路産業規模已經由2001年不足世界集成電路産業總規模的2%提高到2010年的近9%［1］。中國已是擁有全球最大的電子信息市場的製造大國。2012年上半年，網絡購物用戶規模達到2��1億，通過手機接入互聯網的網民數量達到3��88億，手機成為我國網民的第一大上網終端［2］。當前，以移動互聯網（mobile internet）、物聯網（internet of things）、雲計算（cloud computing）為代錶的戰略性新興産業快速發展，成為繼計算機、網絡通信、消費電子之後推動集成電路産業發展的新動力。　　先進電子製造是關係國傢利益和安全的戰略性産業，也是當今世界競爭最激烈、發展最迅速的技術領域。與巨大且快速增長的國內市場相對照，中國集成電路産業雖發展迅速但仍難以滿足內需。在先進電子製造中，中國的大型製造裝備基本依賴進口，中國先進電子製造技術整體水平尚不能令人滿意，在關鍵製造理論與技術方麵距發達國傢還有較大差距。中國目前仍處於集成電路消費大國的曆史階段，核心競爭力缺失。作為中國支柱産業的信息産業，很大程度上依賴於國外集成電路的支撐，信息社會的産業和技術基礎並不十分牢固［3］。　　1965年， Fairchild公司的Moore整理資料時發現，每個新芯片大體上包含其前任兩倍的容量［4］，這就是現在所稱的摩爾定律（Moore′s law）。在摩爾定律提齣後的40多年中，曾不斷有專傢認為芯片集成的速度已經達到極限。不過事實是，盡管翻一番的周期已經從最初的12個月增加到瞭如今的兩年，摩爾定律跨越瞭Moore當時預計的1975年，但至今依然有效。芯片上的晶體管數目保持指數增長的趨勢，引起瞭人們的驚異。驚異的是世界上還沒有一個産業能以這樣的速度持續發展，而且這一預測來自於年輕的研究人員。起源於物理和材料科學的發明，微電子製造在短短數十年發展成為全球頭號産業，說明需求和市場的巨大作用，也說明在戰略高技術方麵缺乏基礎研究，原創性技術的産業基礎是薄弱的。擺在中國製造業和學術界麵前的迫切任務，就是盡快在微電子製造領域趕上和超過世界先進水平。　　微電子製造是指在微米、納米尺度上將物理原理演變為物理現實，批量製造結構、器件和功能係統。微電子製造工藝和係統越來越精細復雜，是不可迴避的現實。　　有彆於製造工藝技術的堆砌，製造科學主要處理指導工藝選擇、優化方嚮和預估可能極限。美國國傢科學院院士馮元楨（Yuan�睠heng Fung）曾指齣：“萊特兄弟的飛機飛上天時，並不懂得空氣動力學。但如果沒有空氣動力學，就沒有‘協和’飛機”。 微製造科學和微電子製造工程的關係與此類似。形象地說，製造科學是“基因溯源”的探討而非“癥狀處理”的技術綜閤。因此，除瞭對具體工藝過程的技術研究，除瞭在材料科學、半導體物理領域處理，還必須從基礎做起，拓寬研究範圍。　　以超聲鍵閤裝備為例。為實現每秒15對綫以上速度的互連，鍵閤係統（圖1��2）必須精密設計、調控到最佳狀態。其中，超聲功率源的啓動和停止，壓電元件的設計製作，換能係統、劈刀的材質和尺寸選擇，動態鍵閤力的施加，喂綫、引綫成形，均需要對鍵閤工藝有深刻的理解、完整的設計和精密的控製。這是在毫米級的工具空間，通過微米級的操縱，在納米尺度上産生強度，將工藝集成為一個設備可實現的自動化過程。　　圖1��2超聲鍵閤係統　　人們已認識到，用自動化裝備實現涉及規模、速度、可靠性的大批量製造（volume production），必須從機械、力學和測控的角度，深入把握製造裝備進行的前道及後道工藝過程的細節。從這個角度上說，高性能電子産品製造裝備的發展方嚮是：高精度（控製精度趨於納米級、加工精度趨於亞納米級）、超微細（綫寬小於100nm）、高加速度（引綫鍵閤運動係統加速度高達10g）和高可靠性（韆小時失效率低於10-9）。在上述四個方麵領先，首先需要在關鍵製造技術上取得突破。它們的共性關鍵技術為：微結構製造技術、微間隙控製技術、微連接技術、高精度加工技術、高速度、高精度運動控製技術、數字化製造技術等。這些技術的實現，需要解決三個關鍵科學問題：製造錶麵和界麵間的原子、分子和納米粒子的行為與作用規律；極限製造過程中混閤約束的統一錶達；極限製造中超精密運動生成原理及控製策略。　　1��2現代微電子製造業中的封裝互連〖1〗　　1��2��1微電子封裝和電氣互連　　微電子封裝是IC芯片轉變為功能産品的最後一個製造過程，封裝為芯片進入工作狀態提供信號與能量傳輸必需的電氣連接，同時提供散熱通道和可靠的物理支撐與保護。使用中的集成電路芯片必須與外界隔離，以防止空氣中的雜質對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。封裝後的芯片也便於安裝和運輸。封裝技術的好壞還直接影響到芯片自身性能的發揮和與之連接的印製電路闆（PCB）的設計和製造。1947年，第一隻晶體管的發明開創瞭微電子封裝的曆史。　　微電子封裝對IC産品的體積、重量、性能、可靠性、成本等都有重要影響，封裝在整個IC的成本中所占比例越來越大。IC製造成本的40％是用於封裝的，而IC失效率中超過25％的失效因素源自封裝。封裝所占成本由中小規模集成電路的10%增加到大規模集成電路的80%。實際上，封裝已成為研發高性能電子係統的關鍵環節和製約因素，全球微電子製造業對高密度、高可靠封裝技術一直十分關注［5］。　　微電子封裝已成為製造大規模集成電路的關鍵之一。隨著芯片特徵綫寬減小，芯片不斷變薄，芯片的前道製作與後道封裝不斷融閤，許多先進的封裝工藝與技術應運而生，其中可望應對32nm特徵綫寬芯片封裝要求的新技術主要有晶圓級封裝（wafer level packaging, WLP）、係統級封裝（system in a package, SIP）、基闆嵌入式封裝 （die embedded in substrate, DES）等。　　20世紀70年代流行的是雙列直插封裝 （dual in�瞝ine package, DIP）。DIP的結構形式有多種，如多層陶瓷雙列直插式DIP、單層陶瓷雙列直插式DIP、引綫框架式DIP（含玻璃陶瓷封接式、塑料包封結構式、陶瓷低熔玻璃封裝式）等［圖1��3（b）］。DIP封裝結構適閤PCB的通孔安裝，比TO型封裝易於PCB布綫，操作方便。　　扁平封裝是大規模或超大規模集成電路采用的封裝形式。塑料方型扁平封裝（plastic quad flat package, PQFP）芯片的四周均有引腳，其引腳總數一般都在100以上，而且引腳之間距離很小，管腳也很細［圖1��3（c）］。用這種形式封裝的芯片必須采用SMT（錶麵安裝技術）將芯片邊上的引腳與主闆焊接起來。采用SMT安裝的芯片不必在主闆上打孔，一般在主闆錶麵上有設計好的相應管腳的焊點。將芯片各腳對準相應的焊點，即可實現與主闆的焊接。PQFP適用於錶麵安裝技術在PCB上安裝布綫，適閤高頻使用，具有操作方便、可靠性高、工藝成熟、價格低廉等優點。　　圖1��3幾種封裝形式　　20世紀90年代後，隨著集成技術的進步、設備的改進和深亞微米技術的使用，LSI、VLSI、ULSI相繼齣現，芯片集成度不斷提高，I/O引腳數急劇增加，功耗也隨之增大，對集成電路封裝的要求更加嚴格。為滿足發展的需要，在原有封裝品種基礎上，又增添瞭新品種——　　球柵陣列封裝（ball grid array package,BGA）。它的I/O引腳以圓形或柱狀焊點按陣列形式分布在封裝下麵，引綫間距大，引綫長度縮短，這樣BGA消除瞭精細間距器件中由於引綫而引起的共麵度和翹麯問題（圖1��4）。BGA技術的優點是可增加I/O數和間距，消除方形扁平封裝（quad flat package,QFP）的高I/O數帶來的生産成本和可靠性問題。例如，美國LSI Logic公司推齣的FPBGA��4L，共有四層有機材料的襯底，它的膨脹係數同綫路闆材料十分接近。矽芯片直接接觸到銅的散熱闆上，所以具有很好的散熱性能。每邊的尺寸最大達40mm，引齣端最多可達1157個。　　圖1��4集成電路BGA的內部結構　　總體說來，集成電路封裝大緻有三次重大革新：第一次是在20世紀80年代從引腳插入式封裝到錶麵貼片技術（surface mount technology, SMT）封裝，極大地提高瞭印刷電路闆上的組裝密度；第二次是在1990年BGA的齣現，它不但滿足瞭市場高引腳的需求，而且大大地改善瞭半導體器件的性能；晶片級封裝、係統級封裝、芯片級封裝是現在第三次革新的産物，其目的就是將封裝尺度減到最小。　　1��2��2封裝的層次　　整個IC生産中的後道生産過程有晶圓減薄（磨片）、晶圓切割（劃片）、上芯（黏片）、壓焊（鍵閤）、封裝（包封）、前固化、電鍍、打印、後固化、切筋、裝管、封後測試等工序。　　為研究微電子産品的散熱，定義瞭微電子封裝等級［6,7］，見圖1��5。　　（1） 一級封裝是指芯片（單芯片或多芯片）上的輸入輸齣I/O與引綫框架或基闆的互連，即用封裝外殼（金屬、陶瓷、塑料等）封裝成單芯片組件（SCM）和多芯片模塊（MCM），常稱為芯片（器件）級封裝。　　（2） 二級封裝是指集成塊（封裝塊）連入PCB或卡闆（card）上，即將一級封裝和其他元器件一同組裝到基闆（PCB或其他基闆）,又稱闆級封裝。　　（3） 三級封裝是指將電路闆或者卡闆連入整機母闆上，即將二級封裝組裝到母闆上，也稱母闆實裝。　　圖1��5微電子産品的三級封裝［7］　　1��2��3芯片互連級封裝　　半導體封裝的外部形式以及內部的連接方式，與其工藝實現過程有密切聯係。其中，內部芯片和外部管腳以及芯片之間的連接起著確立芯片和外部電氣連接、確保芯片和外界之間的輸入輸齣暢通的重要作用，是整個封裝過程的關鍵。局部互連（local interconnect）是指在晶體管與鈦矽化物接觸之間形成金屬連綫。一級互連則指芯片上焊盤（pad）和引綫框架或基闆的電氣連接。互連方式的發展將直接影響著整個半導體封裝業的動嚮。封裝的一級互連方式主要包括引綫鍵閤、倒裝芯片鍵閤和矽片鍵閤。　　……

前言/序言

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