[发明专利]超声键合过程的键合力监测系统

说明书

[技术领域]本发明涉及微电子封装中超声键合过程的键合力监测系统，特别是热超声键合力监测系统。

[背景技术]在热超声键合应用中，包括热超声引线键合和热超声倒装键合，键合力是影响键合可靠性和质量的重要因素。

关于超声键合过程中键合力的研究较多，目前关于键合力的研究，一般都是低频。典型的研究包括：

1、采用FEM的方法研究了键合力对引线键合中引线和焊盘接触压力的影响。但是，研究的假设是键合力在整个超声键合过程中是恒定的，但根据本方法的监测结果，键合力在键合过程中是变化的。

2、研究键合力对键合强度的影响规律。但研究没有涉及键合力如何影响键合强度。

[发明内容]本发明提出了一种装置，可以监测到超声键合过程中键合力的变化过程，为键合力如何影响键合强度的研究提供了基本的数据，也为键合力加载方式和控制方式提供了基础。

热超声倒装键合的工作原理为：首先，超声发生器将电能转换成机械能；然后，通过变幅杆、劈刀传递、放大、集中作用到芯片上，同时在热和通过劈刀加载的键合力作用下，使芯片凸点与基板焊盘键合在一起，实现芯片和基板电路互连。其中，键合力是影响键合的重要因素之一。

本发明采用高频力传感器、线性信号调理模块、高速数据采集卡和显示器，编制相关软件，实现对键合过程键合力的监测。

其中，力传感器通过螺纹与大质量的底座直接连接在一起，基板则放置在传感器上面。高速数据采集卡能够以500KHz以上的采样率记录数据，并实现数据的实时处理。高速数据采集卡和相关软件也可以用示波器替代。

此外，力传感器的响应频率至少75KHz，数据采集卡的采样频率至少500KHz以上，才能获得键合过程中，键合力的详细变化过程，为键合力对键合强度的影响机理研究、为键合力控制提供依据。

与现有的技术相比，本发明具有以下优点：

1)将键合力传感器嵌入键合系统中，可以实现超声键合过程中键合力的实时在线监测；

2)高频测力传感器可以获得键合过程中键合力变化的详细细节；

3)本发明的信号提取方式不会影响键合系统的性能。

[附图说明]

图1为本发明系统原理图；

图2为力传感器的装配图；

图3为键合过程中键合力变化过程。

[实施方式]以热超声倒装键合系统为例。如图2所示，选用合适的动态压电传感器2作为键合力传感器，传感器的响应频率为75KHz以上，传感器外接线3采用防干扰低噪音连接线，50米内几乎无衰减；传感器2与键合台1之间通过螺纹连接，这样不仅连接牢固，而且可以防止力传感器和键合台之间发生相对移动，从而保证测量精度。传感器信号接出后，采用场效应电压放大器进行放大；放大后的信号直接输入数据采集卡，数据采集卡采用NI6111数据采集卡，数据采集系统采用LabView进行编程开发。

采用上述方法和软硬件系统，可以获得如图3所示的超声键合过程中键合力变化过程。

由图3可知：在0ms时刻启动键合过程，在5ms时刻开始加载键合力，键合力加载过程近似为欠阻尼系统的阶跃响应。在45ms时刻才开始加载超声振动。键合过程中先加载键合力，后加载超声，超声和键合力同时作用，将金凸点键合在基板焊盘上，完成芯片和基板互连。键合完成后，在155ms时刻关闭超声，在160ms时刻卸载键合力，超声先卸载，键合力后卸载。

此外，由图3可知：超声键合过程中键合力不是恒定的，而是随着超声振动而变化的动态过程，这样的变化过程于键合强度的形成有关。

这样的加载过程认识对于超声键合中键合力的加载过程控制、键合力对键合质量的影响机理认识都有积极意义。