[发明专利]高频超声倒装键合换能系统的制造方法

说明书

[技术领域]本发明属于微电子制造领域，特别是一种高频超声倒装键合的换能系统制造方法。

[背景技术]热超声倒装键合(Thermosonic Flip Chip Bonding)工艺是芯片封装中最具发展潜力的技术，其基本工艺为：超声能量、压力能量及热量的多物理能场相互耦合促成芯片凸点群与基板的瞬态微互连。热超声倒装工艺具有多I/O数、工艺简单，效率高，可靠性好，并且为一种无铅绿色焊接，是满足当前或未来芯片封装领域中高密度高集成发展趋势的一种新型工艺。

换能器(Transducer)是倒装键合中提供超声能量的核心执行机构，其工作原理为利用压电逆效应将工频电信号转换为高频超声振动，并将超声能传输到芯片凸点群界面。换能器作为超声能量传递的载体，其工作性能直接影响凸点群与基板互连的界面微观结构、连接强度和键合效率。为保证最佳连接强度与提高键合效率，需要精确控制换能器的超声能量传递与振动模式。

高频超声键合换能系统是指超过100kHz工作频率的换能器。目前普遍使用的60kHz倒装键合换能器由于工作频率太低，导致键合过程所需要的键合时间太长(目前引线键合为50ms，倒装键合为300ms)，工作效率比较低，无法满足高效率的封装发展趋势。由于使用普通压电晶片和常规不锈钢，以及结构上过于离散，传统60kHz换能器的超声能量损耗严重。低频率换能器均可使芯片互连界面结构产生断线、孔洞及倾斜等缺陷，致使芯片I/O端口之间产生短路和断路，使得半导体器件性能大幅降低。

[发明内容]本发明的目的是提供一种高频超声换能系统的制造方法。发明内容包括：材料参数选择、结构尺寸设计，有限元方法验证，系统装配与校验等几方面。下面分别对各部分内容进行说明。

(1)系统材料特性及结构尺寸选择与设计

为了提高超声能量传递效率，选择具有高数量级的厚度机电耦合系数K_t，低数量级的介电常数K₃₃^T，低数量级的径向机电耦合系数K₃₁的1-3新型复合的高性能压电陶瓷材料。对传能部件的材料，选择具有低能量耗散的钛合金材料。

系统的结构设计遵循于一维弹波传递理论。首先换能系统分成压电陶瓷部分与传能部分独立，从而合并即可。

(a)压电陶瓷、前后盖板部分的设计

对于1/2波长的压电陶瓷部分，设计公式为：

k s l s 2 + tan - 1 ( Z b c Z s c tan k b l b ) = π 2 ]]>