（机械电子工程专业论文）引线键合超声换能系统的设计与动力学研究.pdf

摘要 微电子封装已成为当今微电子制造中影响生产效率和器件性能的关 键技术。热超声键合是最为重要的芯片封装方法与技术，目前企业生产的 9 0 以上芯片是采用热超声键合方法进行封装。超声换能系统是热超声键 合装备的核心执行机构，其工作性能直接决定芯片键合的质量。本论文主 要完成了超声引线键合换能系统的设计，查明超声换能系统后盖板与夹持 环预紧力矩对系统工作性能的影响规律，确定了最佳预紧力矩，有效降低 了超声能量在接触界面上的传播。主要研究内容如下： 第一，采用等效电路方法设计超声换能系统的压电驱动部分，采用解 析法设计超声换能系统的变幅杆部分，获得了超声换能系统的基本结构尺 寸，建立了超声换能系统的数学模型，并利用有限元方法验证了模型的正 确性，确定了超声换能系统的最终结构。 第二，采用a n s y s 有限元分析软件建立系统的有限元模型，研究系统 的固有模态特性，获得了超声换能系统的工作模态及主振型。研究了夹持 环的约束方式及安装位置对系统振动模态的影响规律。 第三，利用阻抗分析仪测试超声换能系统的频率及阻抗，利用多普勒 测振仪测试超声换能系统的振动位移及速度。研究了后盖板预紧力矩及夹 持环预紧力矩对系统工作性能的影响规律，确定了超声换能系统的最佳后 盖板预紧力矩及最佳夹持环预紧力矩。 第四，将自制的超声换能系统安装在t s 2 1 0 0 型金球键合机实验平台 上，利用金相显微镜检测焊点的表面形貌，利用多功能焊接强度测试仪检 测焊点的剪切强度。经检测发现焊点形貌正常，键合剪切强度一焊达 11 3 9 9 f ，二焊达3 6 5 9 f ，表明白行设计的超声换能系统是可行的。 以上研究内容、方法与结论，对理解、分析与设计芯片键合超声换能 系统具有指导作用，对提高与推进半导体器件制造也有很重要的意义。 关键词超声换能系统，设计，模态分析，夹持环，预紧力矩 a bs t r a c t m i c r o e l e c t r o n i cp a c k a g i n gi st h ek e yt e c h n o l o g yw h i c ha f f e c t st h e e f f i c i e n c ya n dp e r f o r m a n c eo ft h e d e v i c ei nt h em a n u f a c t u r eo ft h e m i c r o e l e c t r o n t h e r m o s o n i cw i r eb o n d i n gi st h em o s ti m p o r t a n tm e t h o da n d t e c h n o l o g yo ft h ec h i pp a c k a g i n g 9 0p e r c e n t so fc h i p sa r eb o n d e dw i t h t h e r m o s o n i cb o n d i n g t h es y s t e mo ft h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e ri st h ek e y s t r u c t u r eo ft h et h e r m o s o n i cw i r eb o n d i n ge q u i p m e n t ，a n di t s p e r f o r m a n c e d e t e r m i n e st h eq u a l i t yo ft h ec h i pb o n d i n g t h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rs y s t e m o fw i r eb o n d i n gi sd e s i g n e da n dt h ee f f e c t i o no fp r e s t r e s sf o rt h et r a n s d u c e r b a c ks l a ba n dm o u n t i n gs t y l ei sf o u n do u t ，t h ed i f f u s i o no ft h eu l t r a s o n i c e n e r g yi no s c u l a n ti n t e r f a c ei sr e d u c e de f f e c t i v e l y t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t i sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ee q u i v a l e n tc i r c u i ti su s e dt op i e z o e l e c t r i c i t yd r i v e ro ft h e u l t r a s o n i ct r a n s d u c e rs y s t e m ，a n dt h ea n a l y s i sm e t h o di su s e dt ot h eu l t r a s o n i c h o r no ft h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rs y s t e m t h ep h y s i c a ld i m e n s i o ni sg a i n e da n d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rs y s t e mi sc o n s t r u c t e d t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si su s e dt oc e r t i f i c a t et h ec o r r e c to ft h em o d e l t h e f i n a ls t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sd e t e r m i n e d s e c o n d l y , b a s e do nt h ea n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，t h e s i m u l m i o nm o d e lo ft h es y s t e mi se s t a b l i s h e da n dt h em o d a lo ft h et r a n s d u c e r i sa n a l y z e d b yr e s e a r c h i n gt h ei n h e r e n tm o d a lc h a r a c t e r i s t i co ft h eu l t r a s o n i c t r a n s d u c e rs y s t e m ，t h ew o r k i n gm o d a la n d 也ef u n d a m e n t a lm o d eo ft h e u l t r a s o n i ct r a n s d u c e rs y s t e ma r ea c h i e v e d t h ei n f l u e n c er u l eo ft h ev i b r a t i o n m o d a li s g a i n e dw h e nt h er e s t r a i n tw a ya n dt h ei n s t a l l a t i o ns i t eo ft h e m o u n t i n gs t y l ea r ec h a n g e d t h i r d l y , t h ei m p e d a n c ea n a l y s i sa p p a r a t u si s u s e dt om e a s u r et h e 仔e q u e n c ya n dr e s i s t a n c e 1 1 1 ed o p p l e rv i b r a t i o nm e a s u r e ri su s e dt om e a s u r e t h ev i b r a t i o n a l d i s p l a c e m e n t a n dv i b r a t i o n a l v e l o c i t y t h ew o r k i n g p e r f o r m a n c ei sr e s e a r c h e db yc h a n g i n gt h ep r e s t r e s so ft h eb a c ks l a ba n d m o u n t i n gs t y l e n eo p t i m a lp r e s t r e s s o ft h et r a n s d u c e rb a c ks l a ba n d m o u n t i n gs t y l ea r ef i n d e do u t 1 1 f i n a l l y , t h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rs y s t e mi si n s t a l l e di nt h et s 2 10 0g o l d e n b o n d i n ge q u i p m e n t ，t h ei n t e n s i t ya n ds u r f a c et o p o g r a p h yo ft h ew i p e djo i n t a r ec h e c k e d a f t e rc h e c k i n g ，t h es u r f a c et o p o g r a p h yi sn o r m a l ，t h es h e a r e d i n t e n s i t yo ff i r s tw i p e dj o i n ti s1 13 9g r a m m ea n dt h es e c o n di s3 6 5g r a m m e i ti sp r o v e dt h a tt h ed e s i g no ft h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rs y s t e mi ss u c c e s s f u l a l la b o v er e s e a r c hc o n t e x t s ，m e t h o d sa n dc o n c l u s i o n sw i l lb eh e l p f u lt o u n d e r s t a n d ，a n a l y z ea n dd e s i g nt h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e ri ni cb o n d i n g ，a n d h e l pt oi m p r o v e t h es e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r ei no u rc o u n t r y k e yw o r d su l t r a s o n i ct r a n s d u c e r s y s t e m ，d e s i g n ，m o d a la n a l y s i s ， m o u n t i n gs t y l e ，p r e s t r e s s i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：之笙垂锋日期：盟年_ l 月丑日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 芯片封装发展概述 第一章绪论 封装、设计及圆片制造已成为微电子技术的三个有机组成部分。现代微电子封 装不但直接影响着i c 本身电、热、光和机械的性能，影响其可靠性和成本，还在很大 程度上决定了微电子整机系统的小型化、可靠性和成本，而且随着越来越多的新型i c 采用高i o 弓l 脚封装，封装成本在器件总成本中所占比重也越来越高，并有继续发展的 趋势。现在，国际上已将电子封装作为一个单独的重要行业来发展，它影响着电子信 息产业乃至国民经济的发展。 1 1 1 芯片封装发展历程 数十年来，芯片封装技术一直追随着i c 的发展而发展，一代i c 就有相应一代的 封装技术相配合，而s m t ( 表面组装技术s u r f a c em o u n t e dt a c h n o l o g y 的缩写) 的发展， 更加促进芯片封装技术不断达到新的水平降甜。 六七十年代的中、小规模i c ，曾大量使用t o 型封装，后来又开发出d i p 、p d i p ， 并成为这个时期的主导产品形式。八十年代出现了s m t ，相应的i c 封装形式开发出 适于表面贴装短引线或无引线的l c c c 、p l c c 、s o p 等结构。在此基础上，经十多 年研制开发的q f p 不但解决了l s i 的封装问题，而且适于使用s m t 在p c b 或其他基 板上表面贴装，使q f p 终于成为s m t 主导电子产品并延续至今。为了适应电路组装 密度的进一步提高，q f p 的引脚间距目前已从1 2 7 m m 发展到了0 3 m m 。由于引脚 间距不断缩小，i o 数不断增加，封装体积也不断加大，给电路组装生产带来了许多 困难，导致成品率下降和组装成本的提高。另一方面由于受器件引脚框架加工精度等 制造技术的限制0 3 r a m 已是q f p 引脚间距的极限，这都限制了组装密度的提高。于 是一种先进的芯片封装b g a ( b a l lg r i da r r a y ) 应运而生，b g a 是球栅阵列的英文缩写， 它的i o 端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，引线间距大，引线长度 短。b g a 技术的优点是可增加i o 数和间距，消除q f p 技术的高i o 数带来的生产 成本和可靠性问题。 b g a 的兴起和发展尽管解决了q f p 面临的困难，但它仍然不能满足电子产品向 更加小型、更多功能、更高可靠性对电路组件的要求，也不能满足硅集成技术发展对 进一步提高封装效率和进一步接近芯片本征传输速率的要求，所以更新的封装c s p ( c h i ps i z ep a c k a g e ) 又出现了，它的英文含义是封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸比 中南大学硕士学位论文第一章绪论 裸芯片稍大。日本电子工业协会对c s p 规定是芯片面积与封装尺寸面积之比大于 8 0 。c s p 与b g a 结构基本一样，只是锡球直径和球中心距缩小了、更薄了，这样 在相同封装尺寸时可有更多的i o 数，使组装密度进一步提高，可以说c s p 是缩小了 的b g a 。 c s p 之所以受到极大关注，是由于它提供了比b g a 更高的组装密度，而比采用 倒装片的板极组装密度低。但是它的组装工艺却不像倒装片那么复杂，没有倒装片的 裸芯片处理问题，基本上与s m t 的组装工艺相一致，并且可以像s m t 那样进行预测 和返工。正是由于这些无法比拟的优点，才使c s p 得以迅速发展并进入实用化阶段。 目前日本有多家公司生产c s p ，而且正越来越多地应用于移动电话、数码录像机、笔 记本电脑等产品上。 从c s p 近几年的发展趋势来看，c s p 将取代q f p 成为高i o 端子i c 封装的主流。 为了最终接近i c 本征传输速度，满足更高密度、更高功能和高可靠性的电路组装的 要求，还必须发展裸芯片( b a r ec h i p ) 技术。裸芯片技术有两种主要形式：一种是c o b 技术，另一种是倒装片技术( f l i pc h i p ) 。 c o b 技术：用c o b 技术封装的裸芯片是芯片主体和i o 端子在晶体上方，在焊接 时将此裸芯片用导电导热胶粘接在p c b 上，凝固后，用b o n d e r 机将金属丝( a l 或 a u ) 在超声、热压的作用下，分别连接在芯片的i o 端子焊区和p c b 相对应的焊盘上， 测试合格后，再封上树脂胶。与其它封装技术相比，c o b 技术有以下优点：价格低廉： 节约空间；工艺成熟。c o b 技术也存在不足，即需要另配焊接机及封装机，有时速度 跟不上；p c b 贴片对环境要求更为严格；无法维修等。 f l i pc h i p 技术：f l i pc h i p ，又称为倒装片，与c o b 相比，芯片结构和i o 端( 锡球) 方向朝下，由于i o 引出端分布于整个芯片表面，故在封装密度和处理速度上f l i pc h i p 已达到顶峰，特别是它可以采用类似s m t 技术的手段来加工，故是芯片封装技术及高 密度安装的最终方向。9 0 年代，该技术已在多种行业的电子产品中加以推广，特别是 用于便携式的通信设备中。 裸芯片技术是当今最先进的微电子封装技术。随着电子产品体积的进一步缩小， 裸芯片的应用将会越来越广泛。 1 1 2 芯片封装发展趋势 ( 1 ) i c 封装正从引线封装向球栅阵列封装发展。 ( 2 ) b g a 封装正向增强型b g a 、倒装片积层多层基板b g a 、带载b g a 等方向进 展，以适应多端子、大芯片、薄型封装及高频信号的要求。 ( 3 ) c s p 的球栅节距正由1 0 m m 向o 8 m m 、0 s m m ，封装厚度正向o 5 m m 以下的 方向发展，以适应超小型封装的要求。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 晶圆级的封装工艺( w a f e rl e v e lp a c k a g e ，w l p ) 贝i j 采用将半导体技术与高密度封 装技术有机结合在一起，其工艺特点是：在硅圆片状态下，在芯片表面再布 线，并由树脂作绝缘保护，构成球形凸点后再切片。由此可以获得真正与芯 片尺寸大小一致的c s p 封装，以降低单位芯片的生产成本。 ( s ) 为适应市场快速增长的以手机、笔记本电脑、平板显示等为代表的便携式电 子产品的需求，i c 封装正在向着微型化、薄型化、不对称化、低成本化方向 发展。 ( 6 ) 为了适应绿色环保的需要，i c 封装正向无铅化、无溴阻燃化、无毒低毒化方 向快速发展。 ( 7 ) 为了适应多功能化需要，多芯片封装成为发展潮流，采用两芯片重叠，三芯 片重叠或多芯片叠装构成存储器模块等方式，以满足系统功能的需要。 ( 8 ) 三维封装可实现超大容量存储，有利于高速信号传播，最大限度地提高封装 密度，并有可能降低价格，因此，它将成为发展高密度封装的一大亮点。 1 2 压电换能器的应用与发展 1 2 1 压电换能器的种类 压电超声换能器的种类很多，按组成超声换能器的压电元件形状分为薄板形、圆 片形、圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等：按振动模式分为伸缩振动、 弯曲振动、扭转振动等：按伸缩振动的方向分为厚度、切向、纵向、径向等：按压电 转换方式分为发射型( 电一声转换) 、接收型( 声一电转换) 、发射一接收复合型等。 1 2 2 压电换能器的应用 压电换能器的应用十分广泛，它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、 医疗及军事等：按实现的功能分为超声加工、超声清洗、超声探测、检测、监测、遥 测、遥控、超声减肥、超声育种、机器人成像信息采集等：按工作环境分为液体、固 体、气体、生物体等：按性质分为功率超声、检测超声、超声成像等。 ( 1 ) 超声加工 把微细磨料随超声加工工具一起以一定静压力加在工件上，就能加工出与工具 相同的形状。加工时需在1 5 - 4 0 k h z 的频率下，产生1 5 4 0 岬的振幅。超声工具使 工件表面的磨料以相当大的冲击力连续冲击，破坏超声辐射部位，使材料破碎而达 到去除材料的目的。超声加工主要应用于宝石、玉器、大理石、玛瑙、硬质合金等脆 硬材料的加工以及异型孔和细深孔的加工。此外，在普通切削工具上加超声波振动时， 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 也可起到提高精度和效率的作用。 ( 2 ) 超声波清洗 超声清洗的机理是利用超声波在清洗液中传播时的空化、辐射压、声流等物理效 应，对清洗件上的污物产生的机械起剥落作用，同时能促进清洗液与污物发生化学 反应，达到清洗物件的目的。清洗所用的频率根据清洗物的大小和目的可选用1 0 5 0 0k h z ，一般多为2 0 - - - 5 0k h z 。随着频率的增加，可采用郎之万振子、纵向振子、厚 度振子等。在小型化方面，也有采用圆片振子的径向振动和弯曲振动。超声清洗在各 种工业、农业、家用设备、电子、汽车、橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究 等行业得到了越来越广泛的应用。 ( 3 ) 超声马达 超声马达是把定子作为换能器，利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超 声频率的振动，然后靠定子和转子问的摩擦力来传递能量，带动转子转动。超声马达 体积小，力矩大，分辨率高，结构简单，直接驱动，无制动机构，无轴承机构，这 些优点有益于装置的小型化。它们广泛应用于光学仪器、激光、半导体微电子工艺、 精密机械与仪器、机器人、医学与生物工程领域。 ( 4 ) 超声焊接 超声焊接有超声金属焊接和超声塑料焊接两大类。其中超声塑料焊接技术己获得 较为普遍的应用。金属超声焊接是超声工具头以一定压力压在被焊接金属片上，2 片 或多片被焊金属片在工具头的高频振动摩擦作用下被紧密地结合成一体的新兴特种 加工工艺。由于其可焊接不同材质、不同厚度的金属片，焊点牢固可靠，节能，无污 染，是一种环保工艺。近年来，其在汽车电器的多股导线高强度、高可靠度焊接，大 功率整流管引出线连接，储电池电极的焊接，汽车气囊的内部电路焊接，太阳能热水 器热水管焊接等行业得到应用，在小功率金属超声波焊接，例如在电子行业的集成电 路、晶体管、电容引脚及微电子芯片封装中的应用也约来越广泛，图1 1 为t s 2 1 0 0 型金球键合机宴验平台，图1 2 为u 3 0 0 0 犁粗铝线键合机实验平台。 ( a ) t s 2 10 0 型金球键合机( b ) 金球键合机压电换能器系统 图1 1 t s 2 10 0 型金球键合机实验平台 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( a ) 1 3 0 0 0 型粗铝线键合机( b ) 粗铝线键合机压电换能器系统 图1 2u 3 0 0 0 型粗铝线键合机实验平台 ( 5 ) 压电陶瓷变压器 压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。其输入部分用正 弦电压信号驱动，通过逆压电效应使其产生振动，振动波通过输入和输出部分的机械 耦合到输出部分，输出部分再通过正压电效应产生电荷，实现压电体的电能一机械能 一电能的两次变换，在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。与电磁变压器相 比，这具有体积小，质量轻，功率密度高，效率高，耐击穿，耐高温，不怕燃烧，无 电磁干扰和电磁噪声，且结构简单、便于制作、易批量生产，在某些领域成为电磁变 压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器 等。 1 2 3 压电超声换能器的最新发展 压电超声换能器当前发展方向为大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集 成化。 ( 1 ) 大功率换能器 在许多场合需要大功率的换能器。在大功率换能器领域，铌镁酸铅( p m n ) 陶瓷 是有发展前途的材料。p m n 的优点是在中度的电场中就可以产生大的应变，迟滞小。 但电致伸缩效应是非线性的，相应的物理常数取决于温度和频率，且需直流偏压， 这就需要研究如何处理这些问题哺1 。 在工业液体处理中使用的高强度超声波需特殊的大功率换能器，在功率容量、效 率、辐射面积和指向性方面都有要求。阶梯换能器为在液体中高效地产生高强度的超 声辐射提供了一种优化系统。西班牙j a g a l l e g o j u r e z 等人开发了新型阶梯板状换能 器，它具有高的功率容量、效率和指向性。该换能器用五个圆形阶梯型换能器组成的 阵列，覆盖的照射面积大约1 6 4 m 1 6 4 m ，组成阵列换能器的每个单元的特性：照射 板的直径t p 4 8 c m ；谐振频率为2 1 k h z ；指向性( 3 d b 波束宽度) 1 5 0 ；功率容量为5 0 0 w ； 5 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 效率7 5 1 7 。大功率换能器有望在矿藏勘探和钻井等领域上得到应用。 ( 2 ) 低压驱动换能器 许多谐振超声装置如超声马达和大功率换能器需产生大的振幅。锆钛酸铅( p z t ) 是广泛应用的电声转化材料。在2 0 k h z 时，p z t 在4 0 0 k v m 的电场中，在共振条件 下产生的振幅要达到微米级，需2 0 0 0 v 的电压，5 m m 厚的压电陶瓷环。在某些情况下( 航 空航天，便携式装置) ，使用高压是一种缺陷。此时，大振幅的超声频率必须用低压 驱动。减小多层陶瓷的电极间的距离可解决这个问题。因为当场强一定时，极间距越 小，所需电压也越小。多层压电陶瓷的薄层厚度3 0 - 2 0 0 9 m ，电极的间距等于陶瓷层 厚。所以，要用相同尺寸的装置得到同样的位移，多层压电陶瓷的电压就远远小于单 层的。 法国b d u b u s 等人对多层p z t 郎之万换能器的谐振子进行了实验研究。在低电压 下得到了大的振幅( 1 0 v ，5 9 m ) 。该郎之万换能器是由2 0 层陶瓷片组成，每层厚1 0 0 9 m ， 每端加了绝缘陶瓷。换能器的总高度为3 8 m m ，纵向振动频率约1 3 k h z 。响应的耦合 系数等于0 2 2 。多层压电陶瓷的界面多，损失大，发热严重。为了减小损失和防止去 极化，装配前对各层结合面进行了抛光，( 粗糙度r a = o 0 4 t a m ，平面度0 5 m m ，平行 度l l a m ) 。此外，叠片只是靠机械预应力保持紧密贴合，而没做任何粘接阳1 。 ( 3 ) 高频换能器 频率大于1 5 - - - 2 0 m h z 的b 超在医疗上的应用已有十几年了，高频超声应用范围 的增加促进了一些领域的迅速发展，如换能器( 压电材料、灵敏度和聚焦性) 、信号的 快速电路和数字化等呻1 。 目前利用钛酸铅( p b t i 0 3 ) 的厚度伸缩振动的三次谐波模式，已经制成高达 1 0 0 m h z 以上的高频压电陶瓷振子。振子厚度只有7 0 1 a m ，能与高频石英晶体振子相比， 而最高的超声振子的频率可达1 0 0 0 m h z 。如用波长表示超声波段的范围，在液体、固 体中最短的超声波长为微米量级，可以和可见光波的波长相比。 高频压电陶瓷器件以其体积小、质量轻、能耗低、无需调整等优点被广泛用于电 视机、录相机、自动化电子装置、通信设备、复印机、计算机、语音合成器和遥控器 等电子整机中。随着电子技术的发展，需要越来越大。国内仅电视机、遥控器、音响、 计算机等电子设备年应用量约1 0 亿只，而国内仅有极少数几家生产1 3 m h z 以下器件， 产量约3 亿只，供需矛盾突出，尤其是1 3 m h z 以上的器件基本上依靠进口，市场缺口 非常大。随着压电陶瓷元器件制作工艺技术的改进，谐振频率及特性的不断提高，它 将越来越广泛地取代石英晶体器件，其应用量将以每年5 1 0 的速度递增。所以 研制高频压电陶瓷谐振器产品，具有极大的推广应用前景，有良好的市场空间n 。 ( 4 ) 换能器的集成化 集成包括器件的集成以及器件与电路的集成。美国宾夕法尼亚州大学致动和换能 器国际中心对压电变压器与超声马达的集成进行了研究。超声马达的定子和压电换能 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 器在相同的径向振动模式下工作。它们的尺寸非常接近，可产生密切匹配的共振频 率。因此，它们不用感应线圈而能耦合到一起。用压电陶瓷制作的超声马达，需要较 高的交流电场去激励一个行波或驻波来驱动转子。传统的方法是驱动电路由振动源、 变换器和电磁变压器组成。而电磁变压器体积大，并产生电磁噪声n ，而用压电变 压器则无此缺点。集成还有利于减小回路中的寄生电感和电容。除上面所列的方向外， 近年来微细加工的容性超声换能器( c m u t s ) 已成为研究的热点n 2 1 制。 1 3 超声换能系统国内外研究现状 超声换能系统是一个综合电学、声学及力学等多学科的复杂系统。超声能传播是 一个能量产生、转换、耗散与吸收的过程。超声换能系统研制水平及动力学特性直接 影响超声能传播效率与系统振动模态，从而影响封装器件的质量和可靠性。 当前，国内外对超声换能系统性能分析与设计均基于声学、电学或机械学的线性 理论，即将系统当成各部分耦合良好、无外界因素干扰条件下的线性系统。对超声换 能系统的设计研究，国内外都做了大量的研究。主要包括： ( 1 ) 解析法 解析法基于变截面弹性杆件波动方程，利用各杆件之间位移与力连续的边界条 件，推导出复合杆频率方程等解析表达式。解析法可得到变幅系统的频率方程，并进 一步得到振型、应力分布、速度放大比、节点位置等重要参数。j a k u b o w s k i m n 5 1 根据 简化了的边界条件建立换能杆的数学模型，用于换能杆的初期设计；s h e r r i t s t e w a r t 等人n 6 1 根据接触面速度与力连续条件，建立不同类型变幅杆末端纵向位移与速度的表 达式；廖华丽等不考虑换能杆的机械损耗，利用变截面杆的振动方程研究换能杆内速 度波、力波及功率的传递特性等n7 1 ；胡时岳等利用各形状函数杆之间的位移和力连续 的边界条件，确定待定系数导出频率方程，用于复合换能杆的简化设计n 引。 对由若干级变幅杆组合而成的复合变幅杆，利用变截面杆纵振波动方程，将各级 变幅杆的面积函数代入，并利用边界条件确定出方程中的待定系数，可导出该复合杆 的频率方程等各性能参量的解析表达n 9 1 。这也是传统的变幅杆设计方法，但是对较复 杂的变幅杆，例如三段式或二段以上组成的复合变幅杆，求其频率方程和各性能表达 式的过程就显得较为繁琐。 ( 2 ) 等效电路法 将作用在变幅杆两端的力、振速、力阻抗分别类比于电压、电流、电阻抗，则变 幅杆振动系统和电路之间就有等效关系，这就是力电类比方法。每个单一形状函数的 变幅杆用力电类比的方法，可得到等效的机械四端网络。 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 y l f l 巧 f 2 ( a ) 四端网络 ( b ) 等效的t 型网络 图1 3 单一形状变幅杆的四端等效网络 对任一确定形状函数的变幅杆，等效网络中各等效阻抗都可由力电类比求得1 。 对复合变幅杆，因边界振速连续，可将彼此的等效t 型网络连接起来，得到整个复合 变幅杆的等效电路网，令电路中抗部分为零，就可得到该复合变幅杆的频率方程。结 合电路基尔霍夫定理，还可以求得振动系统的振幅放大倍数等其它性能参量。 赵福令、冯冬菊等根据四端网络原理，利用力电类比的方法，推导出复合换能杆 频率方程和放大系数的一般公式啪1 ；黄德中等从机械四端网络的分析出发，建立了超 声振动器振动系统及换能器、变幅杆、振动棒的机械四端网络数学模型，分析了其频 率方程和两端振速比乜；高洁、贺西平、胡静等利用四端网络的方法，对各类型变幅 杆的性能参量，包括频率方程、放大系数、位移节点、输入阻抗等性能参量进行了统 一表达，大大简化了变幅杆的计算，便于工程设计啦! ；朱武、张佳民从变截面杆作一 维纵振动的运动方程出发，建立机械四端网络的数学模型及传输特性方程，导出了圆 锥形变幅杆的频率方程和振速比。并在此基础上，用四端网络法设计了工作频率为 2 0 k h z 的圆锥形超声变幅杆1 。 ( 3 ) 有限元法 传统的解析方法和等效电路法设计和分析复合变幅杆振动系统时，会有较大的局 限性：它们都要对被分析对象建立简化的数学模型，如等效电路法处理的对象是集中 参数系统，因而它只能得出换能器处于谐振状态时( 这时可简化为集中的参数系统) 的 一些参数；又因为得出的性能参数都是以解析式的形式表达出来，所以要确切地知道 换能器系统内部的如位移分布、应力分布等量，都要经过很繁琐的运算才能得到。 考虑到有限元方法对复合变幅杆振动系统建模时为一无源激振系统，因此计算时 用模态分析。一旦完成对复合变幅杆的建模，其计算过程就比较简单，而且计算结果 是以数值解给出的，通过可视化编程，后处理模块可将这些数值解以图形的方式显示 出来，由此观察到复合振动系统的各个振动模态、位移分布以及应力分布。 有限元方法特别应用于不规则的、无法得到解析解的变幅杆件的设计上。例如， 超声焊接和切割中使用的大形状块状变幅杆件( b l o c kh o r n ) 嘲1 。这些变幅杆件是连接工 具头和换能器的组件，需要满足三个条件：工作频率要远离它具有的其它振动模式： 块形工作面上的振幅要均匀；且能产生大振幅。因此对块状变幅杆件必须施行开孔和 开缝相结合，而为了分隔开纵振动和扭、弯振动，又必须相应地作些加边、减厚等处 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 理。怎样使得这些孔、缝、加边、减厚的几何尺寸晟佳，就必须用有限元方法计算口钔。 ( 4 ) 其它方法 变幅杆设计方法还有替代法( 机械阻抗相等法) 、传输矩阵法、传输线法、分段 趋近法、表观弹性法等。传输线法一般用于等截面的变幅杆设计。分段趋近法是对任 何形状函数的单级或复合变幅杆，都将其分割成若干个近似的直圆锥段来趋近( 圆柱 只是圆锥的一个特例) ，因为单个直圆锥段可等效为一个四端网络，这样，任意形状 函数组合而成的纵振型复合变幅杆最后都可简化为一个等效网络啪1 。 由于大尺寸超声振动体都存在横向耦合振动，从理论上说应采用三维振动理论来 分析。然而由于问题的复杂性，一般很难得到解析解。鉴于弹性体耦合振动问题的复 杂性，应用三维理论一般来说得不到严格的解析解。为了解决这个问题，日本学者森 荣司提出了表观弹性法：在只考虑伸缩变形而不计剪切变形的条件下，对材质均匀的 弹性体，其振动可以看作是由相互垂直的纵向振动耦合而成，不同方向的振动看作有 不同的表观弹性常数。在此条件下，弹性体的耦合振动可以由各个方向上的一维纵向 振动来表示。从整体上看，各个方向上的等效纵向振动通过相互耦合构成弹性体的整 体耦合振动溉棚。 当然，在实际设计复合变幅杆时，针对不同的研究对象，有时候可将几种方法结合 起来使用，以简化设计，另外使用不同方法也可以相互验证。比如，对一端带有圆柱 杆的复合纵振超声变幅杆，就可以用传输线法和替代法啪1 ；对存在有大横向尺寸段 部分的复合杆，可先用表观弹性法求得由于径长耦合振动而呈现的表观声速，再结合 上述一些方法作最后设计啪，3 。 1 4 当前超声换能系统存在的缺陷 由于在设计方法、材料选择、加工与装配上的不足，目前超声换能系统存在以下 缺点，影响芯片封装质量和可靠性，急需加强工作性能的优化和改进。 1 4 1 系统出现的多模态与频率混叠效应 超声换能系统轴向振动模态确保键合工具末端保持与芯片平行的运动状态，能够 以行波方式传递到金球界面，因此被认为是超声键合换能系统最为理想的振动模式。 然而，由实验测试与有限元计算发现，除了轴向主模态之外，系统存在非轴向振动。 非轴向振动对轴向主振动造成负面影响。此外，系统工作频率附近寄生多种振动模态， 因其非常靠近主模态而极易被激发，造成工作频率与非工作频率的混叠。系统多种模 态的响应使造成键合工具处于混乱运动轨迹，系统运动对于难于控制状态，导致芯片 产生翘曲等缺陷，造成器件i o 端口的短路或断路，严重影响器件的可靠性。 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 2 超声能量输出的不稳定与易受外干扰性 由于超声换能系统各部分之间的接触界面，如键合工具与变幅杆的联接强度，都 是影响超声能量传递的强非线性因素。接触界面的微小变化导致超声能量的不稳定输 出。当预紧力过小时，超声能量的输出很小；当预紧力过大时，超声能量被严重衰减， 导致键合强度降低，甚至无法键合成功，形成大量的废品，对键合效果极为不利。 1 4 3 超声换能系统的响应滞后性 由于材料阻尼与各接触界面的非线性连接，在电压激励下系统呈现响应迟滞性 ( 如图1 - 4 所示) ，影响芯片键合的效率。 图1 - 4 换能器的响应滞后性 1 5 论文课题来源、研究目的、意义及内容安排 1 5 1 课题来源 本课题来源于国家重大基础研究发展项目( 9 7 3 计划) “高性能电子产品设计制 造精微化数字化新原理和新方法 的课题2 “复合能场作用下微互连界面的微结构演 变规律 ( 编号：2 0 0 3 c b 7 1 6 2 0 2 ) ：国家自然科学基金“十五 重大项目“先进电子 制造中的重要科学技术问题研究 的课题4 “芯片封装界面制造过程多参数影响规律 与控制( 编号：5 0 5 7 5 2 3 0 ，5 0 3 9 0 0 6 4 ) ；国家自然科学基金重点项目“半导体照明 发光二极管的热超声倒装键合机理与散热性能研究”( 编号5 0 5 7 5 2 2 9 ) ：“超声波在 键合换能系统接触界面的传播机理与低能耗接触界面设计 ( 编号：5 0 6 0 5 0 6 4 ) 。 l o 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 2 课题研究的目的、意义 近年来，半导体器件封装技术以其对国民经济与国防安全的重要性而受到广泛关 注，超声键合技术凭其独特的工艺特点成为当今芯片封装领域的研究热点。 在超声键合技术中，超声能是超声键合工艺中最为关键的参数。超声换能系统包 括p z t 压电换能器和变幅杆。压电换能器利用p z t 压电材料的逆压电效应，将超声 频率的电信号转换成机械振动，变幅杆将振动传输并放大后传递给键合工具。变幅杆 除了起传输并放大振动的作用外，还有完成p e t 变幅器和劈刀之间的阻抗匹配的作用。 可见，在热超声倒装键合过程中超声换能系统担负着实现电声转换、产生超声振动以 及传递能量的重任，是键合装置的核心部件。对超声换能系统的研制及其动力学分析 有助于研究超声换能系统超声能的传播特性，理解超声键合机理。掌握自主开发产权 具有重要的意义。 1 5 3 本论文主要研究内容 本论文系统地研究了超声换能系统的研制方法及超声换能系统的振动与超声传 递特性。各章内容的具体安排如下： 第一章简要介绍了芯片封装的发展概述，压电换能的应用与发展，超声换能系 统的国内外研究现状以及本课题来源、研究目的、意义。 第二章介绍了超声换能系统的组成及各部分的功能特点，然后利用等效电路法 及解析法详细的介绍了超声换能系统的结构设计过程和方法。 第三章介绍了超声换能系统模态分析的理论依据及模型的建立，并对无夹持环 和有夹持环的超声换能系统进行了模态分析，分析改变夹持环的约束方式、安装位置 时其对超声换能系统振动模态的影响；介绍了超声换能系统的加工和装配要求，以及 超声换能系统阻抗频率检测原理及振动位移、速度检测原理和方法，最后对实际加工 出的超声换能系统的动力学特性进行了分析。 第四章通过阻抗频率检测和振动位移检测分析了超声换能系统后盖板预紧力矩 和夹持环预紧力矩对超声换能系统振动性能的影响。 第五章将自制的超声换能系统安装在金丝机实验平台上进行键合，检测超声换 能系统实际键合效果。 第六章总结了本论文的研究成果。 中南大学硕士学位论文第二章超声换能系统的结构设计 第二章超声换能系统的结构设计 超声换能系统是热超声键合装备的核心执行机构，其工作性能将直接 决定芯片键合的质量，在理解超声换能系统工作原理及工作性能的基础上，本章 对超声键合换能系统进行设计。利用等效电路法设计超声换能系统的压电驱动部分， 利用解析法设计超声换能系统的变幅杆部分，推导出超声换能系统设计的频率方程， 建立超声换能系统设计的数学模型。并设计了6 3 k h z 的引线键合超声换能系统。 2 1 超声换能系统的组成 2 1 1 系统组成 热超声键合是当前微电子封装中的主要芯片互连技术d 别。该工艺是指在一定的超 声能量、压力以及热量的相互作用下，芯片金球凸点与基板之间金属原子相互扩散， 从而实现芯片i o 端口之间的互连。热超声键合以其工艺过程简单、无填充材料、效 率高、无污染等优点而被认为是一级芯片封装领域最为重要的工艺和技术口3 ，川。 超声发生器 刁陈植士王盎植翘言蝠圭盈宙摇 j ，- - - _ l j i il | i j f 一一j l | 图2 - 2 超声键合换能系统结构示意图 超声换能系统主要由超声发生器、压电换能器、变幅杆以及键合工具等四个部分 1 2 中南大学硕士学位论文第二章超声换能系统的结构设计 组成。如图2 1 所示，图2 2 为超声换能系统的结构示意图。超声换能系统是键合装 备的核心部分，超声换能系统设计的好坏直接影响到热超声键合的质量，因此对热超 声键合换能系统的研制就有着非常重要的意义口2 矧。 2 1 2 系统各部分功能特点 超声发生器由波形发生模块、功放模块、阻抗匹配模块、以及锁相环模块组成， 其主要作用是将工频电信号转换为压电换能器所需的高频电信号。当前热超声键合的 超声发生器都具有频率自动跟踪功能和阻抗匹配功能，以保证压电换能部分处于谐振 状态和超声发生器功率的最大输出。 压电换能器是由若干压电陶瓷片、前盖板、后盖板以及预紧螺栓组成，通过压电 效应将高频电信号转换为同频率的机械振动，即压电换能器是一个将电能量变换为超 声波能量的转换器。 从结构上，变幅杆分为圆锥型、指数