超声键合机理规律与技术

汇报人:李军辉芯片超声键合机理、规律与技术研究完成单位：中南大学2008年9月18日申报湖南省科学技术奖——基础研究类汇报提纲一、项目背景与总体思路二、主要创新成果三、成果水平与知识产权四、主要完成人及其贡献一、项目背景与总体思路（1）封装：将芯片的信息节点与器件基板节点连接，实现I/O转换，完成信息流从微观到宏观的转换。超声键合光刻、掺杂等工序封装器件IC制造是高新技术最核心的产业，2007年我国IC产业产值为5000亿元（即408亿块)

，2010年将达8000亿元（即800亿块)，其中70～80%为封装产业。是每年几百亿块芯片转变为器件的关键环节一、项目背景与总体思路（2）

市场与技术的激烈竞争，使封装技术与产业面临着摩尔定理的挑战：每18个月更新一次芯片制造技术。特征线宽（nm）封装节点（μm）焊接速度（点/秒）节点键合强度（MPa）125～90Φ60206065～45Φ3530～4090挑战与技术瓶颈：用缩短1半的时间，在减小1半的节点面积上，增加1倍半的键合强度。

——成为IC封装产业发展的瓶颈一、项目背景与总体思路（3）总体思路揭示在ms、纳米时空条件下键合强度如何产生：找到时间减半、强度增半的原理。——需要观测现象揭示真实规律创造什么条件可以使发现的规律演变为产品升级的新技术原理。——需要创造新的核心技术创造什么系统可以集成关键技术，使复杂封装过程在瞬间精确实现。——集成创新高性能封装装备与工艺软件获得了国家重大项目支持国家973项目，编号:2003CB716202国家自然科学基金重大项目，编号:50390064国家自然科学基金面上项目，4项，编号:50675227、50575230、50605064、50705098在毫米级的工具空间，通过微米级的操纵，在纳米尺度上产生强度。历时6年，达到预期目标二、主要创新成果创新1：建立快速原子扩散超声键合理论1）三个重要发现①超声作用下键合界面原子快速互扩散——键合最根本行为首次在纳米/毫秒尺度上揭示键合界面的原子行为和规律时间30ms，界面互扩散深度约为200nm②原子快速扩散时，键合界面存在高密度位错组织没有超声作用超声作用后的位错原子扩散是在位错状态下进行超声能－位错－原子扩散③发现了键合过程界面出现‘速度分离’现象揭示了界面强度形成需要的时间和特征现象“速度分离”后“速度分离”前创新1速度分离工具芯片在7-8ms时段出现‘速度分离’，突变点，说明此时已产生键合强度。现工业操作时间为30ms以上2）建立快速原子扩散超声键合理论-要点：键合的本质：界面原子扩散形成合金固溶组织，强度大于基体组织——键合区形成。纯Ag晶格常数:2.4066Å纯Au晶格常数:2.358ÅAu-Ag键合界面Au=2.3915ÅAg=2.047Å键合的条件：原子扩散能为77.5kcal/mol，超声能使材料形成高密位错，原子处于高能位不平衡态，产生快速扩散。创新1键合的过程：10ms时间内键合完成；'速度分离'点表征键合强度达到门槛值；

‘速度分离’后的超声能量大量耗散于其他的损伤。J.Li,L.Han,J.Zhong,AppliedPhysicsLetters,90,2007:242902.(影响因子4.127)JunhuiLi,FuliangWang,LeiHan,JueZhong,JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,2008,41:135303.(影响因子2.200)新理论解决了回应挑战的技术路线:强化与精确调控在‘速度分离’之前的原子扩散裂纹、根断、分离实施效果：10ms内，实现了强度提高1.5倍，面积减小1/3。创新2：创立高效高品质键合新工艺

专利号：200610031671.X1）强化有效过程的“变参数加载新工艺”键合强度提高50%以上速度分离阶梯式超声功率LeiHan,FuliangWang,WenhuXu,JueZhong,MicroelectronicsReliability,2006,46:610–615.(影响因子0.897)LeiHan,RongzhiGao,JueZhong,SensorsandActuators

A137(2007)41–50.(影响因子1.457)强化10ms内过程，减小后过程载荷创新22）控制界面硬脆、强度均匀化的“超声能传递路径优化新工艺”Au/Al界面出现脆性、强度下降的金属间化合物（AuAl2）500nm200nm两界面扩散不均匀，在200－500nm变化改变加载模式：‘基板传能’和‘基板植球’模式调整使用；能量传递路径合理、能量作用时间精短；弱化金属间化合物，各界面强度同步提高。实施效果：两界面原子扩散厚度均为200nm；金属间化合物减小1倍，键合强度同步达到95MPa。创新2

专利号：200610031729.0JunhuiLi,LeiHan,JueZhong,Mater.Chem.Phys.,2007,106(2-3):457-460.(影响因子1.870)LeiHan,RongzhiGao,JueZhong,SensorsandActuatorsA141(2008)695–702.(影响因子1.457)3）实现新工艺原理的“多参数全局优化”。超声功率（p）的键合窗口温度（T）的键合窗口创新2JunhuiLi,FuliangWang,LeiHan,JueZhong,IEEETransactionsonAdvancedPackaging,2008,30(3):442-446(影响因子1.443)键合压力（f）的键合窗口协调为全局优化分别实验建立各工艺参数窗口创新3：突破高效超声键合关键技术，创立超声键合新装备1）研制超声能高效转化型换能器发现现有换能系统的工作模态附近存在3种干扰模态（耗散能量达10-20%），破坏芯片位置精度，削弱界面扩散及键合强度。弯曲(56.395kHz)扭转(57.820kHz)轴向(58.435kHz)弯曲(56.422kHz)换能系统创新目标：减小干扰模态影响创新几项核心技术、装备，保证新工艺精确实现机械－电路等效模型模态频率灵敏度方法分离工作模态与干扰模态，提高换能系统工作性能。优化方法目标理想的振动模态创新3单一工作频率单一轴向模态工作点传统结构优化结构提出用整体式换能系统取代传统的分离式结构，减弱非线性干扰。全新的近线性高效超声换能器63kHz键合换能器

专利号：200610031728.6创新3Ji-anDuan,JunhuiLi,LeiHan,SurfaceandInterfaceAnalysis,2007,39:783-786.(影响因子1.427)LiJun-Hui,DuanJi-an,HanLei,MaterialsCharacterization.2007,58:103-107.(影响因子0.982)非线性因素耗能为40-50%2）创建“快速频率跟踪与自调节系统”创新3专利号：200610031670.5自主开发工业界电路全数字（FPGA）半数字/半模拟频率跟踪速度1.6ms锁定3.0ms锁定跟踪精度﹤1Hz5HzY.C.Lin,XuChen,H.J.Zhang,Z.P.Wang.MaterialsLetters.2006,60(24):2958-2963.(影响因子:1.299)Y.C.Lin,XuChen.JournalofAdhesionScienceandTechnology.2006,20(12):1383-1399.(影响因子:0.955)在2ms内实现变参数快速调整3）成功研制“高强度高密度点阵键合机”芯片尺寸：11~55mm可键合I/O数：200键合压力：100g~2000g1g主要指标与功能创新3专利号：200610031493.0

专利号：200610031767.6单点键合时间键合强度新键合机6.25ms99.5MPa工业界18.75ms60-70MPa全面回答封装的挑战（减小1半的时间，实现90MPa以上的键合强度），实现IC封装技术的跨越。集成了全部新原理、新工艺、新技术三、成果水平与知识产权（1）10篇代表性国际期刊论文：J.Li,L.Han,AppliedPhysicsLetters,Vol.90,2007:242902.(影响因子4.127)JunhuiLi,WangFuliang,LeiHan,JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,2008,41:135303(影响因子2.200)JunhuiLi,LeiHan，IEEETransactionsonAdvancedPackaging,2008,30(3):442-446(影响因子1.443)JunhuiLi,LeiHan,MaterialsChemistryandPhysics,2007,106(2-3):457-460.(影响因子1.870)LeiHan,RongzhiGao,SensorsandActuators

A137(2007)41–50.(影响因子1.457)LeiHan,RongzhiGao,SensorsandActuatorsA141(2008)695–702.(影响因子1.457)JunhuiLi,LeiHan,SurfaceandInterfaceAnalysis,2007,39:783-786.(影响因子1.427)LeiHan,FuliangWang,WenhuXu,MicroelectronicsReliability,2006,46:610–615.(影响因子0.897)Y.C.Lin,XuChen,H.J.Zhang,Z.P.Wang.MaterialsLetters.2006,60(24):2958-2963.(影响因子:1.299)Y.C.Lin,XuChen.JournalofAdhesionScienceandTechnology.2006,20(12):1383-1399.(影响因子:0.955)原理发表于高水平的APL等物理期刊技术发表IEEE权威刊物发表论文：82

篇国外期刊：20篇最高影响因子：4.127（本领域未见高于该影响因子论文）SCI/EI收录：76篇引用次数：90次全球最大的微电子装备制造商ASM的技术总监评价为‘杰出、独特的工作’，并建立ASM-CSU联合封装实验室。代表作被评为2006年IEEEConferenceonElectronicPackagingTechnology国际会议上评为‘优秀’论文。国内外的影响三、成果水平与知识产权（2）973项目和重大基金项目评价为“优秀”。为国内最大的封装设备公司－中国电子科技集团45所的全自动键合机提供关键技术。(深圳伟天星半导体设备有限公司等)。已与48所协议本技术的合作应用。专利：6项热超声倒装自动键合机，专利号：ZL200610031493.0高频热超声倒装换能传能系统的制造方法，专利申请号：200610031728.6集成热声倒装试验平台，专利申请号：200610031729.0热超声倒装键合剪切力测试仪，专利申请号：200610031767.6一种键合参数加载方法，专利申请号：200610031671.X。热超声倒装键合机换能器监测和分析系统，专利申请号：200610031670.5。三、成果水平与知识产权（3）李军辉：博士、副教授，主要从事键合界面结构研究，研究结果已发表于Appl.Phys.Lett.(影响因子4.127)、Mater.Chem.Phys.