超薄芯片多顶针剥离工艺机理分析与优化

(2)分析了多种工艺参数对超薄芯片多顶针剥离工艺的影响机理。首先介绍了界面剥离与芯片碎裂之间的竞争关系，重点分析了顶针间距、芯片尺寸、蓝膜材质和长度等多项关键参数对剥离过程的影响机理，分析了常规多顶针工艺的局限性，为超薄芯片(4)验证了超薄芯片多顶针组合剥离工艺的优越性。通过搭建多顶针剥离工艺实验平台，验证了常规多顶针工艺的部分仿真结论，针对优化后的多顶针剥离工艺进行实IAbstractUltra-thinchipisinevitabletrendinthedevelopmentofIntegratedCircuit(IC)industry,however,ultra-thinchiphighdensity,fragile,easybendingalsobringsgreatchallengetotheexistingpackagingtechnology.ChipStrippingisoneofthecoretechnologiesofICencapsulation,anditisgreatsignificanttorealizetheultrathinchipwithoutlossandhighefficiency.Ultra-thinchipshattereasily,anditisdifficulttostrip.Thispaperfocusonthemulti-thimblestrippingprocess,themainresearchcontentandtheinnovationsincluding:(1)Modelingandemulationofthemulti-thimblestrippingprocess.Inthispaper,introducestheworkingconditionofthemultithimblestrippingprocess,andaccordingtotheworkingcondition,wehaveestablishedfiniteelementmodelandvirtualcrackclosurelegal(VCCT)method.(2)Mechanismanalysisofmulti-thimblestrippingprocess.Thispaperintroducesthecompetitionbetweeninterfacestrippingandchipfragmentation,andanalyzestheinfluenceofvariousparameters.Inaddition,thelimitationofconventionalmulti-topneedletechnologyisanalyzed.Anditprovidesguidanceforthedesignofmulti-thimbleanddevicestructuredesign.(3)Putforwardandsimulatethemulti-thimblestrippingtechnology.wedetaileddesignthetechnologicalactionprocessconsiderthenewprocess.Basedonthis,wehavedesignedanewtypeofmulti-pinstrippingdevicetorealizethehighefficiencyandhighreliabilityoftheultrathinchip.(4)Theadvantagesofmulti-thimblestrippingtechnologyforultra-thinchipareverified.Bybuildingamulti-thimbleprocessingplatform,inthispaper,wecomparedtheprocessofmulti-topstitchingprocesswiththeoptimizedandmulti-thimble,andprovedthefeasibilityoftheprocess.Inconclusion,throughthesimulationresearchoftheultra-thinchippeelingprocess,theoptimizationprocessanddevicemechanismofthemulti-thimbleultra-thinchiparegiven,whichlaysthefoundationfortherealizationofthehighefficiencyandreliablepeelingoftheultra-thinchip.Keywords:Ultra-thinchipMulti-thimblestrippingChipfractureMechanismanalysisProcessoptimizationI I Ⅱ 1绪论 11.1课题来源 1.2研究背景 11.3研究课题的提出 31.4国内外研究现状 61.5本文主要研究内容 2超薄芯片多顶针剥离工艺建模仿真 2.1超薄芯片多顶针剥离工况分析 2.2超薄芯片多顶针剥离工艺建模 2.3基于ABAQUS有限元的VCCT仿真方法 2.4本章小结 3超薄芯片多顶针剥离工艺机理分析 3.1界面剥离与芯片碎裂竞争关系 3.2超薄芯片多顶针剥离工艺过程分析 3.3超薄芯片多顶针剥离工艺影响因素分析 3.4本章小结 4超薄芯片多顶针剥离工艺与装置优化设计 4.1超薄芯片多顶针剥离工艺优化思路 4.2超薄芯片多顶针剥离工艺优化设计 4.3超薄芯片多顶针剥离工艺结构设计 4.4本章小结 465超薄芯片多顶针剥离工艺实验验证 475.1多顶针剥离工艺实验平台搭建 5.2多顶针剥离工艺实验验证 5.3本章小结 546总结与展望 556.1全文总结 556.2工作展望 56 参考文献 58附录攻读硕士学位期间的研究成果 本学位论文得到以下项目的联合资助：(1)国家自然科学基金优青项目“柔性电子制造技术与应用”,批准号：51322507。(2)国家自然科学基金面上项目“柔性电子卷到卷制造中异质结构可控转移与层合机理”,批准号：51475195。集成电路(IntegratedCircuit,IC)作为信息产业的基础和核心，是一个国家的基础性，先导性和战略性产业1,设计、制造、封装、测试是IC制造四大工序[2I,电子封装作为IC制造的后道工序[3],起到连接IC设计、生产制造和应用的重要桥梁作用14],已经成为IT行业的重要技术，也成为电子产业的重要组成部分151。设计设计电路设计测试后晶圆封装晶圆切割拾取装完成封装测试成品测试成品设计版图晶圆图1.1IC制造四大工序：设计、制造、封装、测试电子封装技术不仅涉及到IC芯片设计和制造等半导体元器件相关研究领域，还涉及到芯片载体、器件组装、器件互连等相关的技术10。电子封装技术随着科学技术的发2Package,DIP)、插针网格阵列封装(PinGridArrayPackage,PGA)、小外形封装(SmallOut-LinePackage,SOP)、球栅阵列封装(BallGridArrayPackage,BGA)以及叠层封装(PackageonPackage,PoP)等各类封装工艺。电子封装已由一维和二维封装逐步发展到立体三维封装17]。封装生产，供料技术尤为重要，Wafer晶圆盘是目前使用最普遍的供料方式[8],如图1.2所示，Wafer晶圆是典型的三层结构：芯片-胶层-基材(蓝膜)19],其结构特征是芯片和基材通过粘性材料粘接在一起。在Wafer在划片之前，为了保证切割过程中的芯片完整性，降低崩碎的可能性，通常会选择在Wafer背面附上一层膜，为保证芯片在正常传送/贴装过程中不会有位移和掉落的情况，需要先将晶圆与基材粘接一体。在实际生产中，不同规格的芯片采用不同材质的膜，对于小芯片通常采用UV膜，对于大芯片则通常使用蓝膜。倒装键合工艺(FlipChip)¹10|在IC封装领域，尤其是高密度封装应用最广泛，也是最重要的技术之一[11],由于这种工艺具有洁净、工艺简单、能耗低、密度高等常规工艺所不具备的优点，近年来，广泛应用于CPU、显卡驱动、主板、RFID射频器件等高性能元器件的芯片封装112]。典型的芯片FlipChip工艺包含拾取和贴装两大关拾取过程就是将芯片与基板实现分离的过程，包含顶针剥离(Peeling-off)和真空拾取(Picking-up)[13]两个步骤。顶针剥离作为拾取过程中的核心步骤，是芯片倒装工艺中最为关键也是难度最大的工艺之一，如图1.3所示，其过程主要分为三个阶段，接触-冲击阶段、界面剥离阶段、拾取头拾取阶段，前两个阶段分别表现出瞬时冲击行为，长时稳态剥离行为，拾取阶段仅为剥离的辅助行为。在顶针顶起的瞬间，接触时间短，冲击力较大，顶针会刺穿蓝膜/UV膜和胶层。然后在较长的时间段，顶针与基材、芯片、胶层一同以相同速度匀速上升，当界面剥离能量释放率大于胶层的剥离能量释放率极限值时，出现界面裂纹并扩展。该阶段是芯片剥离主要行为，是关键阶段。当裂纹从尖端沿3着胶层方向向中心扩展，直到裂纹长度达到总长的70~80%,此时由拾取装置向上位移，芯片顶针座界面剥离拾起作为微电子产品中重要组成部分116,IC芯片随着微电子轻薄化不可阻挡的趋势”4图1.4国际半导体技术发展路线图[26]:晶圆盘直径以及芯片厚度的技术发展趋势力作用下，芯片-胶层-基材(蓝膜)三层结构发生弯曲变形的过程。其中芯片是硅基材好的弯曲变形能力。同样的，在一定的顶针集中力(单顶针)作用下，此时剥离芯片刚层裂纹的产生，对芯片剥离造成较大困难。如果此时，顶针(单顶针)位移继续增大，5图1.5多顶针剥离工艺67上剥离基材的工艺方法，并对当前机械拾取装置进行了结构上的改进与优化，以适应高效率和高可靠性的超薄芯片拾取工艺要求。Rivlin、Gent、Williams、Saiki、Peng等人的研究对象均是较厚芯片，工况针对的均是单顶针剥离工艺，其相关理论和仿真对于超薄芯片能否适用需要进一步论证。Liu等通过针对超薄芯片剥离建立理论模型，针对多顶针展开了理论和仿真研究，其研究内容采用的力载荷施加，与实际应用有一定的偏差，未考虑蓝膜、未施加底部真空，同时未对多顶针工艺的局限性进行优化设计。Xu针对超薄芯片真空拾取过程进行了深入研究，提出了改进工艺和结构，然而其研究点聚焦在真空拾取，并未考虑多顶针的影响因素。因此针对超薄芯片的多顶针剥离1.4.2芯片剥离影响因素研究Daill⁵I在其硕士论文中通过有限元分析方法，分析了顶针速率和真空吸附面积对芯片剥离的影响，分析得到了顶针临界速度获取方法，并得出了吸附面积的增大会对芯片产生不利影响，在满足吸附的前提下，应尽可能的减少吸附面积，以降低芯片最大集中应力的结论。K.Wang和Y.Huang等140]发现，剥离时芯片和基材之间的作用力在一定程度上受到真空吸附面积影响，该作用力将决定芯片剥离的困难程度，同样得出吸附面积过大，剥离越难的结论。Cheng等l27l发现，胶层端部的应力大小决定芯片能否剥离，当应力>胶层的断裂极限强度时便会产生裂纹，并指出了多种工艺参数对芯片剥离成功率的影响，研究发现芯片的几何尺寸对芯片剥离起着决定性作用，芯片越大越薄，剥离成功率会越低。Lin和Hwuang等[41]通过Taguchi实验理论，结合顶针速度、顶针尖端的形状、蓝膜底部真空度等重要参数来预测芯片碎裂几率，通过静力学仿真分析发现，顶针速度是拾取过程中芯片发生碎裂的核心因素之一。Xu在其博士论文中揭示了基材材料、真空负压、芯片尺寸对超薄芯片剥离的影响，较薄、较软的基材材料有利于增强拾取头抓取芯片能力，有利于顶针剥离时裂纹扩展。超薄芯片长度越大，拾取愈困难，成功率越低。此外，研究发现影响拾取可靠性另一关键因素是真空负压，基材底部负压增加将有利于提高界面剥离能力。Peng等142|指出芯片越薄，越不利于顶针剥离。Williams等[43]发现，剥离力和剥离角度之间的关系与基材的机械特性及膜固定在基板时的预紧力有很大关系。Liul26]在其博士论文中提出超薄的芯片会随着基材一同发生弯曲变形，致Cheng等芯片越大越薄，越难从基材上剥离的结论，同样发现基材越软，芯片剥离越容8见的刚性顶针，通过挠性材料顶起变形，从外围侧实现芯片与基材的剥离，该挠性顶起材料相当于柔性顶针。具体设计如图1.6所示：9从力学角度看，芯片剥离过程实质是芯片-粘胶-基材(蓝膜)三层复合结构的界面片-粘胶-基材(蓝膜)三层复合进行建模研究和分析，因其核心是界面剥离过程，故而本文将采用虚拟闭合法理论结合有限元分析方法对大面积超薄芯片的多顶针剥离本章主要介绍超薄芯片多顶针剥离工艺仿真建模过程，仿真理论依据以及仿真方基底图2.2芯片-胶层-基材粘接结构实物截面图同时蓝膜下表面受到多个顶针(3个)的作用力Pnedte,和蓝膜底部真空吸附力Pwbstate,芯片在上升剥离过程中，蓝膜由于受到顶针的作用和周边固定的约束条件，将产生明显的弯曲现象，从而导致蓝膜和芯片之间的胶层产生剥离力和剪切力。通常情况下，需建立界面的弹簧模型，引入法向和切向的弹簧以及阻尼来表征这种受力情况。当胶层所受到的剥离力和剪切力大于弹簧阻尼的极限值时，弹簧阻尼单元将会断裂，进而出现胶层界面分离现象。然而，采用此方法分析芯片的剥离过程，需要进行复杂的力学分析，并同时进行大量的公式计算，本文采用仿真分析的方法以简化该过程。2.2超薄芯片多顶针剥离工艺建模ABAQUS有限元软件简介ABAQUS有限元软件分析功能强大，能够支持各种类型、各种工况的仿真计算，在多款商业有限元分析软件中，ABAQUS有限元软件在目前世界范围内应用最为广泛。其在有限元仿真方面，不管是对于较为简单的线性运算还是较为复杂的非线性问题的分析，其都具备很强的分析能力，相比于其他软件，ABAQUS软件在非线性问题处理上，更为优越，并且针对多场相互耦合作用的分析，也具有庞大的计算求解能力。目前ABAQUS在世界范围内很多国家、很多生产应用领域都得到了广泛的应用。ABAQUS软件主要包括给用户提供的具有交互功能前处理的图形模块ABAQUS/CAE,三个分析模块(ABAQUS/explicit,ABAQUS/standard和ABAQUS/CFD),后处理可视化模块(ABAQUS/viewer)。ABAQUSABAQUS/CAE作业监控ABAQUS分析ABAQUS/StardardABAQUS/ExplicitABAQUS/CFDφ接口软件第三方后处理器第三方前处理器ABAQUS接口图2.4ABAQUS软件图形模块作为ABAQUS软件分析的前处理和后处理模块，前处理模块可以在内部建立几何2)芯片，胶层，蓝膜均假定为铁木辛柯梁；3)真空吸附作用力均匀作用在蓝膜和芯片上；4)假设顶针未穿透蓝膜，故与顶针接触的只有蓝膜5)为避免应力集中，顶针力为小区域作用力；图2.5超薄芯片多顶针剥离分析几何模型上述建立的三维有限元模型为整体模型的右半部分，胶层、蓝膜、芯片的主要几何结构层厚度(μm)长度(mm)芯片胶层5蓝膜材料属性的定义结构层弹性模量泊松比材料芯片Si基粘接层40MPaEpoxyepoxide蓝膜PET膜网格类型的选取和划分图2.6超薄芯片多顶针剥离网格图程是通过提取裂纹尖端位置处的应力值以及裂纹张开的位移量的有限元分析结果进行包含两组节点：节点1、3、5为顶部节点，节点2和4为底部节点，节点1和2位于裂纹的尖端处，节点3、4位于裂纹后面，节点5位于裂纹前面。节点3、4、5仅用于从图2.8哑节点界面单元的定义和结构√节点1、2之间用特殊刚度的弹簧连接，用于计算裂纹的节点力分量F和Fy。√节点1、5之间是裂纹前端的虚拟扩展量Aa。9得到能量释放率参数之后，用断裂准则即可判断裂纹是否扩展，本文主要从能量角度去探讨裂纹的失稳扩展，因此我们采用针对来判定。一旦满足能量释放率的G-准则，则将裂纹尖端节点1和节点2之间的弹簧失效，即将其刚度设为0,此时裂纹会向前扩展。因此这种单元可在执行有限元分析程序的同时，还可以模拟裂纹的扩展。这种方法既没有破坏商用有限元分析软件的完整性，不破坏使用结果的精确性，还大大降低了编程的工作量，提高了仿真效率。该自定义单元可以用于分析建立的有限元模型，提取模型指定点的速度和位移等参数，中上述自定义功能的调用和软件中自带的功能单元并无二致，每当自定义单元进行计算时，用户子程序UEL将被调用，进行上述所有的单元计算。本章节首先超薄芯片多顶针剥离工艺的工况进行了分析，其工况的特点是超薄、多顶针，然后利用ABAQUS有限元软件建立了顶针和芯片模型，定义材料属性，划分网格，定义初始条件和边界条件，为有限元分析建立基础。此外详细介绍了VCCT理论和仿真方法，以及哑节点的应用，与ABAQUS软件结合使用，将断裂参数的后处理计算和有限元分析有机的结合起来，在有限元分析完成的同时即可得到能量释放率的计算结果，为后续章节初始裂纹的产生、影响因素的分析以及裂纹的传播提供重要基础和手段。3超薄芯片多顶针剥离工艺机理分析附近区域(单顶针)或是芯片下方其他位置区域(多顶针)放置顶针剥离装置以施加位Gpeel>Geritical如前文所述，针对超薄芯片常规的多顶针剥离工艺均为多个顶针同时上升一段位层产生初始裂纹(此处定义为初始剥离阶段),满足裂纹扩展准则则裂纹扩展(此处定义为裂纹扩展阶段),否则裂纹截止。本章节将主要在该工艺条件下，对裂纹产生及扩图3.2常规多顶针剥离工艺多顶针同时顶起(AgNN)(Ag112x/12X/chip从仿真数据看，在顶针接触部位芯片应力最为集中。b图3.5芯片初始剥离芯片表面应力分布3.2.2超薄芯片多顶针剥离裂纹扩展胶层在出现初始裂纹之后，基于G断裂准则，大于剥离能量释放率极限值裂纹即开始扩展，其裂纹扩展长度取决于传播过程中的剥离能量释放率大小。为研究超薄芯片在多顶针剥离工况下裂纹扩展情况，对此，取顶针间距比deel/lchip=0.75,芯片长度l=5mm,芯片厚度Hchip=50um,蓝膜长度Lsubstrate=7mm,蓝膜底部真空度Psubsrate=60kPa,弹性模量Esubstrate=160MPa,施加位移载荷0.4mm,进行仿真计算，如图3.6所示。+6.836e+01+6.214e+01图3.6胶层裂纹扩展如图3.7所示，在芯片初始剥离时期，芯片集中应力最大，故在芯片剥离过程中，芯片碎裂最危险时刻为芯片初始剥离时刻，随着裂纹的扩展，芯片所受应力逐步下降。图3.7芯片碎裂应力随裂纹长度变化率3.3.1顶针间距对剥离效果的影响Z。)剥离工艺的重要参数之一，为分析芯片初始剥离过程中能量释放率和芯片碎裂应力随顶针间距的变化规律，对此，我们针对不同顶针间距工况下的剥离效果进行分析，此处取芯片长度lchip=5mm,芯片厚度Hchip=50um,蓝膜长度Lsubstrate=7mm,蓝膜底部真空度Pubxtrac=60kPa,蓝膜弹性模量Eubstatc=160MPa,施加位移载荷0.4mm进行仿真计算。图3.9显示的G为能量释放率，G,和G₂分别对应于模型张开型和滑开型的能量释放率，从图中可以看出，基于位移载荷条件下，随着顶针间距的增大，胶层剥离能量释放率会随之提高，显然，这将有利于初始剥离，取剥离能量释放率极限值0.02N/mm时，剥离的条件是顶针间距Ddneedlesubstrate图3.9初始剥离阶段剥离能量释放率随顶针间距变化率如图3.10所示，随着顶针间距的增加，芯片碎裂应力有明显的下降趋势，基本呈线性比例下降，由此可看出，顶针间距的增加有利于降低芯片碎裂应力，从而降低芯片碎裂风险。如将芯片碎裂应力极限值取值200MPa时，要保证芯片不发生碎裂的条件是dneedl/lchip>0.67。b图3.10初始剥离阶段芯片碎裂应力随顶针间距变化率如图3.11所示，随着顶针间距的减小，芯片弯曲程度逐渐加大，这将不利于芯片剥离，这是芯片剥离能量释放率随顶针间距减小而下降，芯片碎裂应力随顶针间距减小而上升的重要原因。图3.11芯片弯曲程度随顶针间距变化3.3.2蓝膜材质和长度对剥离效果的影响芯片底部蓝膜作为粘接芯片的基材，其长度决定了芯片与芯片之间的距离，真空吸附时，其材质柔软程度以及长度对芯片剥离角有一定的影响，探究超薄芯片剥离机理，有必要对其进行详细分析。此处取顶针间距比dneedl/lchip=0.75,芯片长度lchip=5mm,芯片厚度Hchip=50um,蓝膜底部真空度Psubstrate=60kPa,施加位移载荷0.4mm进行仿真计算，其中蓝膜弹性模量G(N/mm)G(N/mm)作为变量时，取蓝膜长度为8mm。蓝膜长度作为变量时，取蓝膜弹性模量160MPa。Esubstrate(MPa)图3.12剥离能量释放率随蓝膜弹性模量变化率从图3.12所示，在蓝膜弹性模量大于80MPa时，弹性模量对于芯片剥离影响不大，在蓝膜弹性模量小于80MPa时，弹性模量对芯片剥离影响明显加大，这说明在选择蓝膜时应尽量选择材质较软的蓝膜。如图3.13所示，随着弹性模量的增加，对芯片碎裂应力也有一定的影响。b图3.13芯片碎裂应力随蓝膜弹性模量变化率进一步分析蓝膜长度对剥离效果的影响，从图3.14可以看出，随着蓝膜长度增加，剥离能量释放率呈下降趋势，但是当蓝膜长度大于8mm时，剥离能量释放率反而呈现上升的趋势。NmmNmm夏substrate(mm)图3.14剥离能量释放率随蓝膜长度变化率从图3.15可看出，随着蓝膜长度的增加，芯片碎裂应力在逐步下降。综合图3.11结果，在设定工艺条件下，可选择蓝膜长度大于8.5mm的蓝膜，不仅可以增加剥离能量释放率，而且能降低芯片碎裂应力。bSubstrate(mm)图3.15剥离能量释放率随蓝膜长度变化率从仿真数据看，以上两种情况均较为反常，从仿真图形可看出，如图3.16、3.17所示，蓝膜由于真空吸附作用，仿真时蓝膜出现下拉，无疑这将有利于增加剥离角，从而有利于提升剥离能量释放率，有利于剥离。然而市面上的顶针帽基本都为平面，蓝膜其实无法实现下图所示的下拉，此处可以作为结构优化的重要参考，如设置带有凹槽的顶针帽，预留蓝膜自由下拉的空间。图3.16蓝膜弹性模量60MPa时蓝膜下拉图3.17蓝膜长度9mm时蓝膜下拉3.3.3蓝膜底部真空度对剥离效果的影响此处取顶针间距比膜长度Lsubstrate=7mm,施加位移载荷0.4mm,以底部真空度Pubstrate为变量进行仿真计算，从图3.18所示，胶层剥离能量释放率随着底部真空度的增加而上升，从仿真结果看，针对该设定工艺条件下，只要蓝膜末端固定，即使底部没有真空度也满足产生初始裂纹的条件。D图3.18剥离能量释放率随蓝膜底部真空度变化率从图3.19可看出，芯片碎裂应力随着蓝膜底部真空度的变化呈上升趋势，蓝膜底部真空过大将可能导致芯片碎裂。GpGp(N/mm)Psubsrate(KPa)从图3.20可看出，对于100um以内的芯片剥离，其对芯片厚度极其敏感，而对于hchip(mm)从图3.21可看出，对于超薄芯片，芯片碎裂应力对于芯片厚度极为敏感，当芯片厚度小于50um,极易发生碎裂，由此可看出在设定工艺参数下，50um厚度芯片已达到该多顶针剥离工艺的极限值。根据上述结果，可以更为直观的体现超薄芯片易碎裂、难剥离的突出问题，对于小于50um厚度的芯片，在多顶针作用下，增加顶针间距是较好的处理方式，然而，随着芯片越薄，其工艺窗口将越小，越难以剥离。bhchip(mm)图3.21芯片碎裂应力随芯片厚度变化率3.3.5芯片长度对剥离效果的影响同样的，芯片越长则越容易弯曲变形，对此，取芯片厚度Hchip=50um,顶针间距比dneeat/lchip=0.75,蓝膜长度Lsubstatc=7mm,蓝膜底部真空度Pwbsratc=60kPa,蓝膜弹性模量Egubstrate=160MPa,施加位移载荷0.4mm进行仿真计算。从图3.22可看出，胶层剥离能量释放率随着芯片长度增加而减小，对于设定条件下，剥离芯片长度的极限为9.4mm。Nmm)Nmm)图3.22剥离能量释放率随芯片长度变化率从图3.23可看出，芯片越长，芯片碎裂应力越大，对于设定工艺条件下，芯片不发生碎裂的芯片长度极限值为7.2mm,根据竞争准则，芯片能成功剥离的芯片长度范围为小于7.2mm。图3.23芯片碎裂应力随芯片长度变化率3.3.6超薄大芯片剥离工艺局限性根据上述影响因素分析，总结起来可以归纳为下述结论：1、顶针间距越大，芯片碎裂应力越小，越有利于初始裂纹的产生。2、蓝膜材质越软，越有利于初始裂纹的产生，蓝膜长度越长，芯片碎裂应力越·,3、芯片越薄越长，越难剥离，75%顶针间距下最小剥离芯片厚度为50um,最大前工艺(常规多顶针芯片剥离工艺)存在一定局限性。4超薄芯片多顶针剥离工艺与装置优化设计工艺路线以及装置结构设计的合理性直接决定了超薄芯片剥离的成品率以及剥离在该阶段中，采用的顶针运动方式与常规超薄多顶针运动方式完全相同，为多顶针芯片剥离第二阶段：裂纹扩展通过蓝膜主动剥离，以及中间单顶针作用，提高剥离能量释放率，裂纹沿胶层方向传播扩展，直至完成80%左右胶层总长的剥离。超薄芯片多顶针剥离工艺第二阶段分析1)裂纹扩展能量释放率新工艺工况下，中间顶针持续上升位移载荷0.1mm,旁边的顶针撤回。如图3.26所示，能量释放率会出现急速的增加，然后缓慢的下降。这个过程是由于中间顶针的继续上升的位移所带来的。在这个过程中，由于能量释放率的突然上升，故在新工艺条件下，相比常规多顶针芯片剥离工艺条件，更能够保证芯片剥离过程的持续进行，直至顺利完成芯片剥离。图3.26芯片剥离新工艺第二阶段能量释放随着裂纹扩展变化图2)芯片碎裂应力如图2.27,新工艺条件下，由于中间顶针的顶起作用，芯片中部会产生应力集中现象，这也是该工况存在的弊端，通过3.4节分析可知，可通过调整多顶针的间距实现芯片应力集中现象的缓解。bX图3.27不同工艺芯片剥离第二阶段芯片表面碎裂应力对比图芯片的碎裂应力会随着不同的顶针间距而变化，为分析不同间距顶针作用下的芯片碎裂应力的情况，选取如下顶针芯片间距比：0.6、0.4、0.2,如图3.28所示，随着顶针间距的减小，芯片应力集中现象得到极大的缓解。X图3.28芯片剥离新工艺第二阶段芯片碎裂应力随顶针间距比的变化图将两个阶段工艺进行整合，得到超薄芯片剥离能量释放率随着裂纹扩展的工艺对比图，具体如下图所示。从图中，可以清晰的得到，在第一阶段中，新工艺与常规多顶针剥离的剥离能量释放率相同，但是在第二阶段中，新工艺设想条件下的剥离能量释放率明显高于常规工艺。2a/lchip图3.29不同工艺下芯片剥离能量释放率随裂纹扩展的变化图综合超薄多顶针剥离工艺的第一阶段和第二阶段，对超薄多顶针常规剥离工艺和新2a/lchip图3.30芯片碎裂应力随裂纹扩展的变化图图4.1蓝膜形态对剥离角的影响然而对于平顶针帽而言，没有空间可以实现蓝膜下垂，可以设想，将平顶针结构改为带有凹槽的顶针帽，预留出足够空间以保证蓝膜形态自由变化，具体结构如下图所示：(a)平顶顶针帽(b)带凹槽顶针帽图4.1两种形式的顶针帽及蓝膜自身的下拉作用，促使裂纹进一步扩展，直至达到70%~80%左右的剥离。进一步扩展，直至达到70%~80%左右剥离。根据4.3所述工艺流程的设计要求，研发的新型超薄芯片多顶针剥离图4.4超薄芯片多顶针剥离装置图4.5可独立运动的内真空腔室因该结构涉及多个运动部件，涉及到多层密封，首先内吸盘向下位移时，外真空腔室与外界大气之间的密封，在此设第一层密封圈；内吸盘与外吸盘相对滑动时，在连接部位设置第二层滑动密封圈；为保证内吸盘能实现独立供气，且不影响内吸盘独立运动，与外界大气压及外腔室保持密封，设置第三层和第四层密封。图4.6内外真空腔室设置四层密封圈此外，内吸盘的向下位移是通过电磁线圈的开关控制，通电时，依靠电磁力吸引中间的柱形铁芯向下移动；断电时，通过复位弹簧推动内吸盘腔体向上复位。这种设计避免了在狭小的真空腔体内部安置更小的运动装置。且电磁控制简单可靠，线圈的线路也更容易进行真空密封，有助于提供稳定的真空环境。图4.7外围4个一体化顶针和中间单顶针图4.8内外圈顶针机构，包含210-内外圈从动子组件、211-内圈从动子、212-外圈270-内圈复位弹簧图5.1多顶针剥离工艺实验平台(a)真空拾取头(b)力传感器]图5.2真空拾取模块图5.3顶针剥离模块图5.4用于代替超薄芯片的硅片如图5.5所示，实验平台的真空气路系统包含两路，其中一路供给顶针腔体，另一路供给真空拾取腔体，两气路独立控制，以便提供不同的真空负压；供给顶针腔体的真空可通过数显气压表进行测量，其测量精度为0.1kPa。图5.5实验平台2路真空气路系统本次实验选取最为常用的50um厚度超薄芯片(硅基片代替),为验证仿真结果，本0.5mm/s。顶针数量为5支，间距比0.75,每组实验进行20次。(c)手动调节千分尺，力传感器Ⅱ测得力(d)拾取头向上真空拾取芯片图5.7多顶针剥离实验所示，强行向上剥离会导致芯片碎裂，如图5.8(b)所示，剥离成功率仅有40%。由此可当位移继续上升至0.5mm时，剥离成功率为90%。增加气压值至52kPa时，当位移上升至0.5mm时，剥离成功率接近100%,但是依然存在一定的芯片碎裂风险。图5.8常规多顶针剥离工艺操作实验空拾取的辅助剥离，发现剥离成功率为100%。图5.9中间顶针上升0.1mm,同时将外圈顶针下降5.3本章小结本章节对第三章节提出的多顶针剥离优化工艺进行实验验证，首先搭建了实验平在IC制造领域，超薄芯片应用越来越广泛，这也导致其制造、拾取剥离、贴装难度越来越大，拾取剥离作为主要工序之一，针对超薄芯片剥离工艺方法的研究、以及装置机构的开发，对IC制造的发展有着十分重要的意义。本文针对超薄芯片多顶针剥离过程进行研究，主要研究内容如下：(1)针对超薄芯片多顶针剥离工艺进行建模仿真。本文通过对多顶针剥离工况进行分析，建立有限元分析模型，详细介绍了基于ABAQUS有限元的VCCT数值分析方法，为后续仿真和实验提供基础。(2)针对超薄芯片多顶针剥离工艺机理进行分析。借助有限元分析手段，针对超薄芯片，对影响多顶针剥离效果的各项参数进行仿真分析，研究其影响机理，针对各影响因素仿真结果分析常规多顶针剥离工艺的局限性，为工艺优化改进提供重要依据。(3)针对超薄芯片剥离提出分阶段多顶针组合运动剥离工艺设想，并与常规多顶针工艺进行对比分析，验证了新工艺设想的可行性和优越性，并对新工艺带来的负面影响进行了参数优化。设计了一套针对超薄芯片的多顶针剥离优化工艺，并根据新工艺的动作流程的设计要求，本文完成了多顶针剥离工艺装置结构设计。(4)对优化的超薄芯片多顶针剥离工艺进行实验验证。搭建了实验平台，对比了常规多顶针剥离工艺实验和单顶针剥离，得出了多顶针有利于降低芯片碎裂的结论。通过常规与优化后的多顶针剥离工艺进行实验对比，得出优化多顶针剥离工艺对于超薄芯片的剥离效果要明显优于常规多顶针剥离工艺的结论，初步验证了工艺设计的可行性。(1)本文在对超薄芯片多顶针剥离工艺进行有限元分析时，未考虑芯片顶部真空(2)本文对超薄芯片多顶针剥离工艺实验中，对比了单顶针和多顶针，常规多顶时光如梭，转眼间，在3年。2017年5月参考文献[2]StiglitzMR,BlanchardC.Microchipfabrication:apracticalguidetosemiconductorprocessing.MicrowaveJournal,1991,34(6):184-185[9]WenY,BasaranC.Ananalyticalmodelforthermalstressanalysisofmulti-layered[11]WolfMJ,EngelmannG,DietrichL,etal.Flipchipbumpingtechnology-S[14]PengB,QuanJ,YinZ,etflip-chip.ProceedingsoftheMechanicalandElectronicsEngineering(ICMEE),2nd[18]BurghartzJN,HarendtC,HoangT,etal.Ultra-thinchipfabricationfornext-generationsiliconprocesses.ProceedingsoftheBipolar/BiCMOSCircuitsandTechnologyMeeting,BCTM2009.IEEE,2009:131-137.[19]BurghartzJN,AngelopoulosE,AppelW,etal.Ultra-thinchipsforflexiblProceedingsofthe2013IEEEInternationalConferenceofElectronDevicesandSolid-stateCircuits,2013:1-2[20]SchoenfelderS,EbertM,LandesbergerC,etal.Investigationsoftheinfluenceofdicingtechniquesonthestrengthpropertiesofthinsilicon.Microelectronicsreliability,[21]MarksMR,HassanZandCheongKY.UltrathinWaferPre-AssemblyandAsProcessTechnologies:AReview.CriticalReviewsinSolidStateandMaterialstheElectronicComponentsandTechnologyConference,ECTC58th,2008:1110-11ultra-thinflashmemorychip.JournalofMicromechanicsandMicroengineering,2012,22(10):105-114.tri-materialadhesivelybondedjointundermixedmodeloading.EngineeringFracture[25]FeilM,AdlerC,HemmetzbergerD,etal.ThechallengeofultrathProceedingsoftheElectronicComponentsandTechnologyConference,Proceedings,[26]刘尊旭.超薄芯片无损剥离的机理研究与工艺优化.[博士学位论文].武汉：华中usingexperimentalandfiniteelementmethods.Journalofmaterialsprocessing[28]LinYJ,HwangSJ.Staticanalysisofthediepickingprocess.ElectronicsPackagingManufacturing,IEEETransactionson,2005,28(2):142-149process.ProceedingsoftheElectronicPackagingTechnologyandHighDensityPackaging(ICEPT-HDP),2011:1-4.[30]SaikiN,InabaK,KishimotoK,etal.Studyonpeelingbehaviorinpick-upprocessofICchipwithadhesivetapes.JournalofSolidMechanicsandMaterialsEngineering,2010,4(7):1051-1060.[31]ChongAC,Cheung