（机械电子工程专业论文）基于表面张力自装配机理及其在微电子封装中的应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 电子产品正朝着便携式、网络化和高性能化方向发展，这种市场需求对微电子封 装技术提出了相应的要求：更高的电路密度、更多的i o 数而尺寸还要减小，采用微 米级甚至纳米级复合结构等。将自装配技术用于微电子封装之中，可有效提高技术的 先进性，顺应现代社会高端电子产品的需求。 微尺度下起主导作用的是表面粘附力，包括表面张力、范德华力和静电力，目前 广泛以表面张力作为驱动力实现自装配。自装配技术中对表面张力的应用分为两种情 况：一种是利用表面张力对已经粗定位的微部件进行精定位；另一种是利用表面张力 对随机定位微部件的组合。前者又可分为利用表面张力产生拉力和利用表面张力产生 旋转力矩驱动微部件；后者类似于分子自组装技术。 具有自对准焊点的倒装技术中，以焊点的表面张力为芯片自对准的驱动力，实现 已粗定位芯片的精定位。分析焊点的可靠性，制定了焊点失效判定准则：基于能量最 低原则实现单个焊点无量纲表面张力的计算；分析焊点表面张力的特性，明确焊盘尺 寸、焊料体积、焊点高度对焊点表面张力的影响。提出了通过分析芯片受力平衡来评 估倒装装配效益的方法，运用该方法可定量分析焊料体积、芯片变形( 形状、大小) 、 芯片尺寸对装配效益影响。 基于表面张力的流体自装配，是在液态环境下利用表面张力实现随机定位微部件 自装配的过程。建立了一个表面自由能计算模型，实现对基于毛细管力流体自装配系 统表面自由能的计算。运用数字图像处理中模板匹配的计算方法，实现了对任意复杂 形状绑定点系统表面自由能的计算，进而仿真出表征能量状态与装配状态之间关系的 能量地形图。通过分析能量地形图中对应于正确装配的全局能量陷阱和对应于误装配 的局部能量陷阱，方便有效地预测出系统的装配效益。 本文在对基于表面张力自装配机理展开深入探讨的基础上，系统研究了两种应用 该机理的微电子封装工艺。本文的理论研究成果可指导这两种工艺的设计，从而节约 设计成本、缩短设计周期；采用的建模、分析方法也有望运用到其他先进微电子封装 工艺的研究之中。 关键词：自装配、表面粘附力、表面张力、倒装技术、流体自装配 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i t i sn e e d e dt or e d u c et h es i z eo fe l e c t r o n i c p a c k a g i n gw i t hm o r e ，h i g h e rd e n s i t y i n p u t s o u t p u t s ( i o s ) ，a n de v e nc o n s i s to fh y b r i dm i c r o m e t e ro rn a n o - m e t e rc o m p o n e n t s ， b e c a u s eo ft h er e q u i i e m e n t so fl i g h t - w e i g h t ，s m a l l s i z e ，l o w c o s t ，a n d h i g h - p e r f o r m a n c e i n c r e a s i n g f o re l e c t r o n i c p r o d u c t s u s i n gs e l f - a s s e m b l y i nm i c r o e l e c t r o n i c p a c k a g i n g t e c h n o l o g y ，h u g ea d v a n t a g e c a nb e g a i n e d t o s a t i s f y t h em a r k e t r e q u i r e m e n t s o f s o p h i s t i c a t e de l e c t r o n i c d e v i c e s s u r f a c ea d h e s i v ef o r c e si n c l u d i n gs u r f a c et e n s i o nf o r c e s ，e l e c t r o s t a t i cf o r c e sa n dv a n d e rw a a l sf o r c e s e t c ，a r eo v e r w h e l m i n gi nt h es i z ed o m a i no fm i c r o s t r u c t u r e s s u r f a c e t e n s i o nf o r c e sa r ew i d e l yu s e di ns e l f - a s s e m b l yi nt w ow a y s ：r e o r i e n t a t i o no f p r e c i s e l y l o c a t e dp a r t si n t ot h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 - d ) s t r u c t u r e s ，a n da g g r e g a t i o n o f r a n d o m l yo r i e n t e d p a r t s t h ef o r m e rw a y a l s oh a st w o t y p e s ：u s i n gt h es u r f a c et e n s i o nf o r c e st op u s ha n dp u l l t h ec h i p 。u s i n gt h es u r f a c et e n s i o nf o r c e sf o rr o t a t i o n a ls e l f - a s s e m b l y , t h el a t t e ri sc l o s e rt o s e l f - a s s e m b l yo f m o l e c u l e t h ef l i p c h i pt e c h n o l o g yu s i n gs e l f - a l i g n i n gs o l d e rj o i n t su s e st h er e f l o wm o u l d i n gt o r e s h a p es o l d e rf o rr e a l i z i n gt h es e l f - a l i g n m e n to fc h i p 弛r e l i a b i l i t yo fs o l d e rj o i n t si s a n a l y z e d ，a n daf a i l u r ec r i t e r i ai sg i v e no u ta sw e l l a na c c u r a t ec o m p u t em e t h o do f s u r f a c e t e n s i o nf o r c e sh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs u r f a c ee n e r g ym i n i m i z a t i o n t h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e n t h es u r f a c et e n s i o nf o r c ea n dt h es o l d e r j o i n td e s i g np a r a m e t e r s a r ea n a l y s e d e x p l i c i t l y 、b a s i n go n t h ef a i l u r ec r i t e r i aa n df o r c ec o m p u t i n gm e t h o d ，am e t h o d h a sb e e nd e v e l o p e dt oq u a n t i t a t i v e l yp r e d i c tt h ey i e l do fs o l d e rf l i p c h i pa s s e m b l yy i e l d y i e l dw a sf o u n di nr e l a t i o nt ot h em e a n _ a n dt h es t a n d a r dd e v i a t i o no ft h es o l d e rv o l u m e d i s t r i b u t i o n ，t h ea s s e m b l yw a r p a g e ，a n dt h ec h i ps i z e t h ef l u i d i cs e l f - a s s e m b l ys y s t e mu s i n gt h ec a p i l l a r yf o r c e si sp r o b e di n t oi nm yt h e s i e f i n a l l y ap u r e l yg e o m e t r i cm o d e l i sb u i l tt oc a l c u l a t et h ed i f f e r e n c ei ns u r f a c ef r e ee n e r g y 髓ed i f f e r e n c ei ns u r f a c ee n e r g yo fa n yk i n do fb i n d i n gs i t e si s c o m p u t e du s i n gd i g i t a l i m a g em a t c h i n gt h e o r y a n d t h e nt h e e n e r g yp l o t i se m u l a t e dw h i c hc a ns h o wt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e na s s e m b l yc o n f i g u r a t i o n a n de n e r g yc o n f i g u r a t i o n a ne f f i c i e n tm e t h o d f o rp r e d i c t i n gt h eo u t c o m eo ft h ef l u i d i cs e l f - a s s e m b l yi so b t a i n e db ya n a l y z i n gt h eg l o b a l m i n i m u r na n dt h el o c a lm i n i m ao ft h ee n e r g y p l o t t h e p r e - a s s e m b l yd e s i g n ，i nt e r m so f d i m e n s i o n sa n dm a t e r i a l su s e d ，c a l li m p r o v et h e f i n a l s e l f - a s s e m b l ya c c u r a c y t w o k i n d so fs u r f a c e t e n s i o n - p o w e r e ds e l f - a s s e m b l y t e c t m o l o g i e s h a y e b e e nd i s c u s s e d t h e c o n c l u s i o na n d m o d e l l i n g m e t h o d sa r ev e r y n 华中科技大学硕士学位论文 p o w e r f u la n dc o n v e n i e n tt o o lt oa i di nt h ed e s i g no f s o l d e rj o i n t sf o rv a r i o u sa p p l i c a t i o n s ， a n d m a y b e b eu s e di no t h e ra d v a n c e de l e c t r i o n i cp a c k a g i n gt e c h n o l o g i e s k e y w o r d s ：s e l f - a s s e m b l y ，s u r f a c e a d h e s i v e f o r c e s ，s u r f a c e t e n s i o n f o r c e s ，f l i p c h i p ，f l u i d i c s e l f - a s s e m b l y i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：徐触 日期：2 一j 降牛月? 阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密区 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：镓白犬 日期：2 舯睁相t o l e l 指导教师签名：鲢俑o 日期：孙v 年毕月, b f t 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源 本课题来自以下三个项目的联合资助： 国家自然科学基金“十五”重大项目“面向芯片后封装的高加速度运动系统 的精确定位和操纵”，批准号：5 0 3 9 0 0 6 3 ； 国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) 项目“极限制造中的混合约束数字建模与 产品缺陷诊断机理”，批准号：2 0 0 3 c b 7 1 6 2 0 7 i 高等学校全国优秀博士学位论文作者专项资金“面向微制造的精密操作理论 与技术”，批准号：2 0 0 3 2 9 。 1 2 课题背景 集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，t o ) 是整个信息产业的心脏，发展所有信息产业如 通信设备、计算机、消费电子等领域，都离不开集成电路产业的支持。中国半导体行 业协会副秘书长王鹏介绍，未来几年我国集成电路的产业规模将逐步扩大，2 0 0 3 年我 国集成电路产能在4 8 亿美元左右，2 0 0 5 将达到8 5 亿美元。同时，随着我国消费电子、 通信设备、计算机产品等集成电路下游市场的迅速成长，未来几年我国集成电路的市 场需求也将不断扩大。2 0 0 3 年我国集成电路市场需求为2 4 7 9 亿美元，2 0 0 5 年将达到 3 6 1 亿美元。可见，虽然我国集成电路产业迅速发展，但是市场供需缺口还将逐步加 大。 随着微电子技术的发展，集成电路复杂度的增加，一个电子系统的大部分功能都 可集成于一个单芯片的封装内，这就要求微电子封装具有很高的性能：更多的引线、 更密的内连线、更小的尺寸、更大的热耗散能力、更好的电性能、更高的可靠性、更 低的单个引线成本等。由于封装的热、电、可靠性等性能直接影响着集成电路的性能， 一个电路的封装成本几乎已和芯片的成本相当。数学、物理、化学、材料、电子技术、 计算机科学和技术的发展，极大的推动着微电子封装技术、封装形式不断发展与革新。 微电子封装技术的发展可分为三个阶段： 1 、2 0 世纪8 0 年代以前，封装的主体技术是针脚插装，其特点是插孔安装到p c b 上， 它的主要形式为d i p ( 双列直插封装) 。针脚插装密度、频率难以提高，难以满足高 效自动化生产的要求。 华中科技大学硕士学位论文 2 、8 0 年代中期，s m t ( 表面贴装技术) 成为最热门的封装技术，通过细微的引线将 集成电路贴装到p c b 板上，集成电路的电气特性、生产的自动化都得到很大的提高。 s m t 主要优点有：引线细、短，间距小，封装密度提高；电气性能提高；体积小，重 量轻；易于自动化生产。它所存在的问题是：在封装密度、i 0 数以及电路频率方面 还是难以满足a s i c 、微处理器发展的需要。 3 、9 0 年代出现了第二次飞跃，进入了“爆炸式”的发展时期，随着封装尺寸的进一 步小型化、微型化，出现了许多采用面阵引脚，封装密度大为提高的新封装技术和封 装形式。其中最具代表性的有b g a ( b a l lg r i da r r a y ，球栅阵列) 和m c m s ( m u t l i c h i p m o d u l es y s t e m ，多芯片模块) 等技术。密度很高的c s p ( c h i ps c a l ep a c k a g e ，芯片级 封装) 、w l c s p ( w a f e r l e v e lc h i ps c a l ep a c k a g e ，晶片级c s p ) 和d c a ( d i r e c tc h i p a t t a c h ，直接芯片贴装) 也得到发展。 在微电子封装过程中，裸芯( d i e ) 从晶片到封装基板( 如b g a 、c s p 等封装形 式) ，或者是从晶片到p c b ( 如d c a 封装形式) 的过程归纳来说，在生产线上对这 些微小的、高密度的芯片( 或封装块) 及基座进行加工，有一个共同的特征：都需要 微操作来对芯片( 或封装块) 进行夹持、移动、定位，然后实现芯片( 或封装块) 与 基座之间的机械和电气连接。广义地讲，微电子封装过程是一个装配操作过程，只不 过部件间是通过粘结和焊接完成。 电子产品正朝着便携式、小型化、网络化和高性能化方向发展，这种市场需求对 微电子封装技术提出了相应的要求：更高的电路密度( 更多的i o 数、更密的间距) 而 且尺寸还要缩小以及微米级甚至纳米级复合( h y b r i d ) 结构的使用。在b g a 、f c t 、 d c a 等先进微电子封装技术中，由于需要对大量的细微元件进行定位和装配，人们 提出了自装配( s e l f - a s s e m b l y ) 的思想，零件的定位、定向和装配是在无传感器反馈的前 提下以开环的方式实现 ”。自装配方法可以实现复杂微结构的组装也可以实现不同 材料的部件的较高精度的集成复合装配。另外，由于自装配方法让装配过程简化，还 可以实现批量、快速的装配，从而提高效益。可见，自装配技术运用到微电子封装之 中，可显著提高其先进性，使其顺应现代社会高端产品要求。 1 3 课题目的意义 自装配可以定义为，系统中的分子或者部件在规划好的相互作用下自发地组织为 更高序列的结构吐自装配技术是由自组装技术延展而来，而自组装的机理是分子间 有选择的自发性组合 ”。自组装技术在胚胎学、形体起源学和超分子化学等领域都有 着广泛应用【”。2 0 世纪9 0 年代以来，自组装技术经历了较快的发展，出现了很多自 2 华中科技大学硕士学位论文 组装方法和自组装材料。同一时期，将分子自组装技术延展到微装配领域，适合多种 材料的自装配方法应运而生，所利用的自装配驱动力也有多种，如表面张力、范德瓦 尔斯力、静电力、以及重力等等口 。部件将不再是被动地被操作、被调度，而是能够 按照其所采集到的环境信息，根据当时的实际情况，自主地采取正确的对策与行动曲1 。 在微电子封装尺度下，控制与操作微部件常存在难度，自装配在该领域有着重要的实 用价值。 在微尺度下起主导作用的是表面粘附力( s u r f a c ea d h e s i v ef o r c e ) ，包含表面张力 f s u r f a c et e n s i o nf o r c e ) 、范德华力( v a nd e rw a l a l s ) 和静电力( e l e c t r o s t a t i cf o r c e ) 等等。在自 装配技术当中，表面张力得到很广泛的应用，基于表面张力的自装配工艺的应用形式 多种多样，且根据不同的应用都要求半导体及封装形式进行调整和改进。从机理上可 以把基于表面张力自装配技术分为两类： 对已粗定位部件的精确再定位。 待装配的微部件已经由定位设备粗定位或者是在微细加工过程直接制备在待装配 位置附近，再利用表面张力实现精确定位。一般都是利用回流过程中焊料熔化后液态 焊料的表面张力来实现自装配，可以分为“利用表面张力的拉力作用实现对准装配” 以及“利用表面张力得到旋转力矩实现旋转装配”。在此类技术中，微部件与基板 或者是微部件与微部件之间的互连对应关系是确定的，所以是一种确定性自装配工 艺。 对随机定位部件的聚集( a g g r e g a t e ) 。 一般都是并行完成自装配过程，假设需要装配打个相同特性的微部件，那么在基 板就必须有”个可以接受该类微部件的绑定点( b o n d i n gs i t e ) ，微部件和基板组成一 个自装配系统。某个确定的微部件会装配到基板上哪个绑定点是不确定的，同样，基 板上某个确定的绑定点会接受到哪个微部件也是不确定，所以这是一种随机性自装配 工艺。 为使便携设备的尺寸、重量、功耗及成本不断降低，第三代微电子封装技术大都 采用面阵引脚，倒装技术是目前半导体封装领域的热门技术，广泛用于b g a 、c s p 、 w l c s p 、m c m s 、d c a 等先进电子封装形式中。倒装技术的键合材料可以是金属引 线或载带，也可以是合金焊料或有机导电聚合物制作的焊凸。如果焊凸的材料是铅锡 或者铟，通过焊凸熔化后液态焊料的表面张力所产生的拉力作用，使芯片移动到合适 的位置，具有高精度的键合能力。这种键合过程从本质上来说，是利用液态焊料的表 面张力实现芯片自装配的过程。具有自对准焊点的倒装工艺是一种确定性自装配工 3 华中科技大学硕士学位论文 艺，在此过程中首先由定位设备完成对微部件( 封装块或者裸芯) 的粗定位，然后利 用焊料熔化过程中焊料自身的表面张力实现对微部件( 封装块或者裸芯) 的精定位， 实现精度非常高的无源对准，降低定位设备对准的精度要求，节约成本。由于可以在 同一次回流过程对多个微部件完成定位和键合，并行装配大大将少了定位多芯片所需 要的工艺步骤和时间。具有自对准焊点的倒装技术已经在光电子封装等等领域得到实 际的应用，但是目前还主要用于高瑞产品之中。 在液态环境下的自装配技术称为流体自装配( f l u i d i cs e l f - a s s e m b l y ，f s a ) 技术。 液态环境中操作微对象以及控制配合面之间的相互作用较为容易【7 j ，因而f s a 技术成 为自装配的研究热点。基于表面张力f s a 技术摒弃定位设备，将微部件投放到作为装 配环境的液体之中，完全利用基板上绑定点处粘合剂的表面张力实现对微部件的定 位。装配之前，要制备好具有绑定点的待装配微部件，而基板也制备好接受微部件的 绑定点，多个微部件同时投放到液态环境中，对一个具体的微部件丽言，被装配到哪 个接受点是不确定的、随机的，所以基于表面张力的f s a 工艺是一种随机性自装配工 艺。将基于表面张力f s a 技术应用到微电子封装之中，能很方便他实现芯片与芯片之 间电气及机械连接。该技术是一种混合集成技术，可以按照性能要求方便地采用不同 的材料和加工工艺，突破了单片集成材料单一性的限制。基于表面张力的f s a 技术还 处于实验室阶段，国外很多学者已经成功地完成了一些演示实验，但是在工程中得到 应用甚少。 自装配并不等于人们对这类复杂系统无法施加影响，决策者、设计师可以参与自 装配过程，这里“参与”，不等于传统的“干预”，参与是一种宏观高层次上的控制， 是通过制定规则与约束的手段实现控制，“干预”是中观层次上具体的控制峭】。基于 表面张力的自装配形式多种多样，且根据不同的应用都要求半导体及封装形式进行调 整和改进，对其机理的研究也即抓取事物的本质是有效利用的首要。本文对基于表面 张力自装配机理展开深入探讨，并对其在倒装工艺和f s a 系统中的应用开展了系统研 究。了解其规律才可以掌握规律，按照自然界规律来组织和设计工艺，正确有效地“参 与”自装配系统。这些工作可望将微电子封装技术推向新高，为人类提供更为便捷和 人性化的消费电子产品。 i 4 国内外研究现状 自装配方法可以利用的驱动力有很多，比如表面张力、范德瓦尔斯力、静电力、 以及重力等等。b 6 h r i n g e r 和g o l d b e r g 9 1 ，运用超声波振动来克服摩擦力和粘附力，在 静电力的作用下对微部件进行定位和对准。c o h n 1 0 】利用振动和重力将多达1 0 0 0 个硅 4 华中科技大学硕士学位论文 片装配在一起，然而由于操作过程中产生的静电力使细微物体以不可控的方式偏离预 定位置，这些系统可以装配的零件尺寸一般为数百个微米。s m i t h 【l l j 运用重力和剪切 力实现对微部件自装配。伊利诺斯大学的h e l l e r 和c o l e m a n 【i 2 】提出了下一代微型器件 组装技术电场贴装，利用分子生物学中的电泳原理把小型元器件准确地放在微阵 列芯片上。c r a c i a s ，t i e n 和b r e e n 1 3 1 等人提出了基于自装配的3 d 组装方法，通过刻 有集成电路的细微多面体之间热运动作用形成3 d 电子网络。 1 4 1 基于表面张力自装配技术研究现状 以表面张力作为自装配驱动的应用非常广泛，最开始应用研究集中在对回流融化 后液态焊料的表面张力的利用上。回流过程中焊料熔化后的液态焊点在冷却过程中会 产生表面张力，最初基于表面张力自装配技术都是围绕这种焊点展开的。 1 、运用表面张力的拉力作用 液态焊点表面张力的拉力作用用于微电子封装的倒装互连技术之中，可实现倒装 技术的自对准。对此类技术的研究开展得多，较为成熟，研究的重点放在对焊点可靠 性( r e l i a b i l i t y ) 和装配效益的研究。p a t t e r s o n 【1 4j 等人对倒装中微细节距( f i n ep i t c h ) 焊凸的可靠性及如何提高可靠性开展研究。柏林f r a u n h o f e r 可靠性及微电子研究所 ( i z m ) 的k a l l m a y e r 1 副【16 j 对以贵重金属钯作u b m ( u n d e r b u m p m e t a l l u r g y ，下填充材 料) 倒装工艺中p b s n 共晶焊料的可靠性进行研究。l a u b t 对6 3 s n 3 7 p b 焊凸进行失 效分析。 焊点可靠性取决于焊点几何参量以及材料，而焊点几何参量和材料由工艺设计过 程选定，完全依赖试制( t r i a l a n d e r r o r ) 方法测试工艺的优劣所需成本很高。用一定 的方法预测可靠性和评估装配效益，分析不同工艺参数对装配结果的影响，找到良性 设计的方向，可节约设计成本、缩短设计周期、提高技术更新速度。d e l c o 公司的 p o p e l a r 1 8 】结合多个类别的倒装过程中的热失效数据和非线性有限元建模方法，得到 6 3 s n p b 焊点的疲劳模型。英国g r e e n w i c h 大学的l u 姻】研究了s n p b 合金焊料和无铅 的( 1 e a d f r e e ) 连接材料的倒装自对准动态过程，论证了自对准功能对生产高性能元 件的重要性。美国c o l o r a d o 大学的l e e 教授的实验室的科研人员对基于焊料表面张力 的自装配技术做了大量的工作：l “2 0 】对光电子封装中自对准焊点的设计开展研究； m o r o z o v a ( 2 1 1 对具有自对准焊点的倒装工艺过程进行了细致的研究；s c h a i b l e 2 2 】f 2 3 提出 基于模糊逻辑( f u z z yl o g i c ) 的收敛建模技术，该技术对于高度非线性、多因素过程 的建模有非常重要的应用价值：s u 2 4 对5 4 0 个y o 接口的p i j g a 倒装工艺开展研究， 建立一个三维有限元模型用于分析焊料体积和焊盘尺寸对装配可靠性的影响，该模型 5 华中科技大学硕士学位论文 包括四个子模型：焊点剖面模型、p b g a 装配全局模型、单焊点局部模型、焊点寿命 计算模型；t o w e r 2 5 p 6 对倒装工艺过程效益进行建模。 在国内，上海微系统研究所的z h u 【27 j 对倒装工艺中的自对准焊点的设计和制作参 数优化方面开展过相关工作。香港理工大学的x i a o 2 8 】等人对低廉成本p c b 板上微细 节距倒装焊凸的可靠性和失效分析开展了研究。东北微电子研究所【2 9 】、清华大学微电 子所 3 0 】 3 t 【32 1 、哈尔滨工业大学焊接重点实验室 3 3 对倒装工艺也开展了部分研究，集 中在对焊凸选材、焊凸制作方面。 2 、运用表面张力产生旋转力矩 另一种利用液体焊料回流过程中表面张力的方式，以焊料形成的焊点作为关节， 利用液态焊点表面张力产生关节旋转力矩，实现异面旋转( o u t o f - p l a n er o t a t i o n ) 。 h a r v a r d 大学的g r a c i a s 3 4 】利用表面张力产生的旋转力矩实现自装配得到封闭多面体。 y e a t m a n p s 最早运用该技术实现3 一d 电子元件自装配。h a r s h t 3 6 】 3 7 1 运用该技术实现对 三维m e m s 结构的操作和装配。 3 、基于表面张力的流体自装配技术 流体自装配实现的方法也有很多，比如s m i t h 3 8 1 运用表面张力，n a k a k u b o 和 s h i m o y a m a 3 9 1 运用剪力撑絮结( b r i d g i n gf l o c c u l a t i o n ) 和形状互补的方法。基于表面 张力的流体自装配技术又是流体自装配技术中的研究热点。k r a l c h e v s k y 4 在1 9 9 2 年 提出微粒子问毛细作用的完整理论，w h i t e s i d e s 【4 1j 建立了运用毛细管力的标准。t e r f o r t ”l j 【4 2 j 等人利用毛细作用原理和亲( 疏) 水的性质自装配了一系列毫米级塑料四面体 结构的微部件，首创了利用毛细作用驱动的流体自装配方法。s r i n i v a s a n 完成将多个 边长1 5 0 4 0 0l i r a ，厚1 5 5 0 a m 的小硅片组装到石英基板上的实验并利用该技 术在微执行器上安装微镜4 3 1 。x i o n g 4 4 1 1 又在s r i n i v a s a n 的基础上提出了利用电流来控 制毛细驱动力大小的方法。l i e n e m a n n 45 】也对基于毛细管力f s a 系统开展了研究，他 的主要工作是研究系统中基板和微部件上绑定点在制造过程中表面缺陷对微部件对 准精度的影响。b 6 h r i n g e r 4 6 对f s a 系统中的能量分布情况进行了建模，并且开发了 相应的仿真软件。 f s a 技术是当前高科技的一个热点，目前国内开展f s a 方面的研究较少，其发展 正方兴未艾，它的应用潜力和发展前景正受到全社会的广泛关注。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 5 本文主要研究内容 本文对基于表面张力自装配机理及其在微电子封装中的应用展开深入研究。选取 具有自对准焊点的倒装技术和基于表面张力的f s a 技术作为研究对象，前者利用回流 过程中熔化后焊点表面张力的拉力作用完成芯片的自对准，后者利用粘合剂的表面张 力实现投放到载体溶液中的随机定位微部件的自装配。本文主要的工作是分析出工艺 设计参量对系统优劣的影响，得出的结论和方法可有效用于指导系统的设计，从而节 约了试制工作的成本、缩短设计时间、加快技术更新速度。 第一章介绍了课题的背景。指出课题的意义，综述了国内外研究现状。 第二章介绍了微装配技术i 首先简单介绍了一种微装配技术分类方法，然后对微 尺度下的粘附力进行分析，最后着重介绍了自装配技术。 第三章对具有自对准焊点的倒装技术进行系统和深入的研究。对焊点的可靠性进 行分析，给出失效判定准则，给出单个焊点表面张力以及整个芯片的装配效益计算与 分析方法。通过对单个焊点的表面张力特性进行详细的分析，明确了如何设计工艺以 得到具有良好自对准效应的焊点。效益预测方法可以用于分析工艺参量( 焊料体积、 变形大小和形状、芯片尺寸等等) 对倒装焊接效益的影响。 第四章对基于毛细管力f s a 系统展开探索和研究。建立了一种计算模型，用于计 算基于毛细管力f s a 系统的表面自由能。运用数字图像处理中模板匹配的计算方法， 实现了对任意复杂形状绑定点系统表面自由能的计算，进而仿真出表征能量状态与装 配状态之间关系的能量地形图。通过分析能量地形图中对应于正确装配的全局能量陷 阱和对应于误装配的局部能量陷阱，可以实现对系统装配效益的预测。 最后对本文工作进行了总结，并对基于表面张力自装配技术的应用前景进行了分 析与展望。 一7 一 华中科技大学硕士学位论文 ；= = = = = = = = = = ；= = = = = = = 一 2 微装配技术 2 1 前言 超精密操作与装配是微电子封装的关键技术之一，广泛应用于晶片切割、：艺：片固 定、t c 检测以及p c b 装配等环节中。微装配更是实现电场贴装、3 d 组装等下一代封 装工艺的主要技术手段之一。由于尺度效应和表面效应，传统的操作和装配理论与方 法不再适用于微操作和微装配，研究和建立适合微电子制造高速度、高精度要求的微 操作理论和方法十分量要。 随着微电子技术的深入研究和广泛应用，单一材料、单一工艺制造的微电子器件 已经远远不能满足需求，而需要复合材料的微电子器件。复合材料的微电子器件可能 需要将电子、光学或液态等等不同材料特性的微部件组装到一个基板上，常常存在不 兼容问题。微装配可将不同特性的微部件定位、装配到一个基板上，是解决这种不兼 容性的硅片尺度装配工艺，突破了传统标准的i c 封装工艺单片集成材料单一性的限 制。 2 2 微装配技术分类 对尺寸介于t i m 和m m 之间物体进行装配，称之为微装配。传统装配的尺度大于 1 r a m ，纳米装配是分子级别的装配，尺度小于u m ，故而微装配是介于传统装配和 纳米装配之间的一种装配工艺。微装配技术目前主要应用于m e m s ( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，微机电系统) 制造，m e m s 技术和微电子技术相辅相成，其技 术成果是可队相互借鉴的。本论文谈及的微装配技术不拘泥于单一领域，故而微操作 的对象可以是微电子芯片，可能是微电子封装块，也可能是3 d 微机械部件等。微装 配的任务主要包括：制备微部件；移动微部件：对微部件进行布置并定位； 连接微部件( 包含电气和机械连接) ；测试装配好的微系统。微装配可分为串行微 装配和并行微装配两大类。 2 2 1 串行微装配 串行装配中对微部件单个进行装配作业，将微部件一个接一个的装配到一起，串 行微装配在原理上和传统装配相同。串行微装配大体可以划分四类： 借助电子显微镜用镊子进行人工装配： 借助电子显微镜进行人工装配存在如下问题：操作范围小，限制手臂的运动，操 作者容易疲劳：微部件重量轻，对操作者不能形成力反馈：受视野范围的限制，操作 8 华中科技大学硕士学位论文 者缺少全局观【4 ”。为克服这种缺点，可以在操作者和被操作部件之间添加中介结构。 中介结构将操作者宏观尺度的运动按比例缩小成为微操作特征尺度范围内的操作运 动：将接触力和夹持力按比例放大后传递给操作者。中介结构解决了操作空间狭小易 疲劳以及不能形成力反馈的问题，但使得设备复杂化，且力反馈存在延迟。总之，人 工操作的优点在于成本低，但是效率很低。 基于视觉的远程控制的微装配； 运用机器视觉系统作为精度控制系统可以实现自动微装配，且可以提高装配效 率。但是基于视觉的自动微装配系统有着处理速度不够离、费用高以及噪声和反射影 响等等诸多不利因素，而且视野易被操作工具阻碍。控制程序的编制优化也是一个难 点。最后还需选择合适的方法有效快速实时地对得到的图像信息进行校正和调整。 k a s a y a 和m i y a z a k i 【4 。在s e m 的监控下，成功演示了对周长在3 0 1 d i n 之内的微部件 的自动j # 歹0 。 高精度的机器人： 高精度的自动微装配机器人对交互系统提出了一系列新的要求。当前控制精度较 高水平的高精度机器人仍存在l o ot , t m 的控制误差，无法满足微系统高精微细的要求。 对传感器数据的精确读取同样存在困难，比如在不影响设备的功能和体积的条件下， 在微细精密设备上放置感应片就是难点之一。t h o m p s o n 和f e a r i n g 【4 川用两个相互正交 的单自由度探针、一个三自由度的调动平台以及j a v a 软件控制系统组成了微装配系 统。在演示试验中，在货盘上放置了? 个尺寸均为2 0 0 x 2 0 0 x l o o 1 m 3 的微立方块， 微立方块之间的间距为i m m ，排成三行四列。运用该微装配系统搬移这些微立方块， 在货盘上重新排列这，2 个微立方块，均匀分布于半径为3 r a m 的圆。 夹具尺寸不大于1 0 0 m 的微夹持器。 微夹持器( 微机械手) 具有操作灵活、 高，因而微操作手必须要有高的制造精度， 柔性好的特点，但是由于微装配定位精度 装配时必须控制振动、摩擦、热膨胀和计 算误差。c a r r o z z a y 和m e n c i a s s i l 50 1 ，针对采用l i g a 工艺制作微夹持器的问题开展了 研究。 。 可见串行徼装配为实现对微部件的耩密微细装配采取了两种措施：一是带有超精 密控制系统的一般操作手，二是将操作手微型化【4 7 1 。需装配大量高精度微部件时，串 行微装配的速度成为很大的障碍。另外，为避免精微部件之间或者是精微部件与工具 华中科技大学硕士学位论文 表面之间的误粘连和误碰撞，需严格控制表面力。基于以上两点原因，非接触的、微 尺度精度的并行微装配工艺亟待发展。 2 2 2 并行微装配 如图2 i 【5 “，并行微装配中同时装配大量的微部件，是一种多匹次( m u m b a t c h ) 的装配工艺。单匹次中在基板上并行地装配同一类微部件，经过多匹次重复装配，得 到一批装配好的微系统，最后运用一定的方法将这些微系统彼此分开，可以得到一批 复杂的多材料复合的微系统，且具有很高的经济效益。并行微装配可以分为确定性与 随机性两类。 够嚣 掣毒一 胁 图2 1 ：并行微装配【5 1 、确定性 在这种装配工艺中，微部件的装配位置先于装配是已知的。例如：倒装工艺、运 用“夹持器阵列”工艺都属于确定性并行微装配。 倒装工艺应用到微系统的装配之中，晶片上就不局限于是电子芯片，也可能是用 微机械部件。微部件从晶片迁移到基板上，可以先把微部件从晶片上分割下来，单个 贴装到基板上去。一般采用并行处理的方法，也就是将多个微部件贴装到基板上以后， 在一次回流处理工艺步骤中实现多个微部件与基板的焊接。 也可以先不从晶片上切割下微部件，而是直接把晶片压向基板，微部件与基板上 接受点之间运用焊料凸点实现绑定。确保微部件与基板硅片的连接强于微部件与晶片 的连接，将晶片于基板分开之后，微部件己绑定在基板上，这种应用就是一种并行的 装配过程。c o h n 5 2 1 最早演示了该工艺，具体步骤如图2 2 所示。s i n g h 和h o r s l e y 5 3 1 对这种工艺也做出了演示，在室温下运用倒装工艺成功地实现了m e m s 设备中微结 构部件之间的拼合和装配，装配结果未见明显的误对准。焊料形成的绑定点可以承受 一1 0 华中科技大学硕士学位论文 的最大拉伸力为1 1 ：- 3 m p a ，可承受最大压力9 士l m p a 。如果形成的铟焊点尺寸为6 5x 6 5 ) ( 4 z m3 ，经测定接触电阻约为，5 印左右。 ( c ) 连接井退火处理 ( d ) 分离 图2 2 ：硅片。硅片迁移过程 采用微夹持器阵列具有并行工作能力，从单个微夹持器到夹持器阵列将串行转化 为并行，提高装配效率的同时也提高了成本。和单个微夹持器一样，徼夹持器阵列在 微操作过程中受到粘附力的影响比较大。夹持器钳口的开合般运用静电力来实现， 但是保持钳口的电中性非常困难：由于摩擦产生的电荷以及钳口电荷沉积都会影响设 计静电场；而且由于钳口表面的氧化，也会对设计静电场产生影响，造成电场分布不 均匀，这些因素都影响了对微部件的抓取、放置动作的准确实旌。 2 、非确定性 非确定性并行微装配中被装配的微部件与装配点之间的关系是不确定的，也即是 随机的。随机性并行微装配是一种自装配过程，在此过程中随机定位的微部件自发地 装配到基板上得到一个稳定的集合体状态，这一过程类似于自组织( s e l f - o r g a n i z a t i o n ) 5 4 1 。自然界里面有数以亿计的个体是在这种有效地装配过程中得到了有序结构。其