热超声倒装键合机换能器监测和分析系统的制作方法

专利名称：热超声倒装键合机换能器监测和分析系统的制作方法
专利说明热超声倒装键合机换能器监测和分析系统 本发明涉及一种换能器监测和分析系统，具体涉及监测和分析微电子封装中的热超声倒装键合机换能器驱动信号的系统。热超声倒装键合是一个复杂的过程，它受键合压力、温度、超声能量、键合界面材料、键合参数过程等众多因素影响，而这些因素又互相藕合在一起，因此热超声倒装键合质量和键合可靠性的在线监测一直是业界的挑战。通过监测和分析换能器系统的驱动信号或输出信号来判断键合质量是一种常用的键合质量反馈方法。到目前为止，相关的研究有1)美国专利No.4341574提出一种方法，通过分析换能器系统的阻抗信号函数及其微分函数来判断和优化键合质量。他们认为换能器的电阻抗等效于机械阻抗，而电阻抗则可通过测量加在PZT上的电流和电压计算得到。最终根据统计学规律，获得阻抗变换曲线和键合质量之间的关系，以此来判断键合停止时间、判断键合质量，以形成一个实时质量控制系统。
该方法的优点是容易操作，便于工业实现，但只能定性分析键合质量，且阻抗信号也未必是最佳的反映键合质量的信号。
2)香港ASM公司提出一种方法，通过在PZT中嵌入压电陶瓷传感器，获得键合过程中PZT在上下左右四个方向上振幅的差别，根据统计学规律，确定不同的键合失效之间四个方向上压电陶瓷传感器输出信号的差别，以此来实现键合可靠性在线监测。
该方法的优点同样是容易操作，便于工业实现，但嵌入压电陶瓷传感器影响了换能器系统的效率。本发明的目的是通过提取换能器系统的功率信号，确定不同的键合失效形式和键合强度情况下，输入超声功率的差别，实现键合质量和可靠性的在线监测。
本发明包括以下两方面的内容1、信号获取和监测系统信号获取和监测系统主要是设计一个电路的软硬件系统，提取换能器系统的驱动电流和电压信号。
超声信号发出器产生的功率信号用来驱动换能器，将超声频率的电信号转换成相同频率的机械振动，并作用在键合的界面上。本发明通过在超声信号器和换能器之间接入电路模块，即接入电流传感器和电压传感器，将换能器系统的驱动电流和电压信号提取出来，再将电流、电压信号经数据采集系统进入计算机。
2、信号分析系统经A/D转换后，电流、电压信号变为数字量，根据数字化后的电流和电压信号，计算得到输入功率和输出阻抗的有效值。再根据有效值曲线计算得到键合过程中换能器系统的平均输入功率。通过键合试验，获得统计规律，确定键合强度与输入功率之间的关系随着超声功率的增加，键合强度先是增加，然后下降。
键合过程即能量消耗过程。本发明能够通过分析键合过程中换能器驱动功率信号的变化，来判断键合质量和可靠性。
本发明具有以下优点换能器系统功率信号容易获得，便于工业实现；本方法和系统可定量反映键合强度，实现质量在线监测和控制；本方法无需对现有系统进行大规模改造，不会影响换能器系统的性能。

图1本发明信号获取和监测系统原理图；图2换能器驱动信号的采集接口电路模块；图3典型换能器驱动电压和电流信号；图4超声功率与倒装芯片键合剪切测试力关系。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。如图1所示，对超声发生器的信号，通过信号采集接口，使信号进入信号采集分析系统。以热超声倒装键合为例，在超声信号器和换能器之间接入如图2所示的电路模块，在超声信号发出器中接入电流传感器和电压传感器，将换能器系统的驱动电流和电压信号提取出来。电流、电压信号经数据采集系统进入计算机。
采集的典型的键合过程换能器系统驱动电流和电压信号如图3所示。
采用的键合芯片为1×1mm的硅芯片，表面的28个铝焊盘(Pad)上采用热超声引线键合方式植有20个直径约80μm、高度约50μm、对称排列的金凸点。键合基板是铜基板，基板焊盘镀银。热超声倒装键合的工艺参数为
热超声倒装键合过程为1)将铜基板固定放置在工作台上，加热到160℃；将芯片放在基板上，背面朝上，金凸点和焊盘对准；2)工具压下并接触到芯片背面，施加键合压力，达到预定值后开启超声。3)超声开启一段时间后关闭，然后再升起工具，撤走键合力，完成键合过程。
根据上述方法，改变键合过程中的输入功率，通过1000次键合试验，可获得键合质量与换能器输入功率之间的关系如图4。
根据上述关系，可确定键合的功率窗口为1.0～1.6W。
在键合过程中，当换能器系统的输入功率小于1.0W时，可判定为键合失效，失效形式为无连接。当换能器系统的输入功率大于1.6W时，也可判定为键合失效，失效形式为金凸点变形严重，导致I/O间短路；当换能器系统的输入功率介于1.0～1.6W时，可判断为键合成功，且键合强度随着超声功率的增加而增加。这样就实现了键合质量的在线监测和失效形式在线判断。
权利要求
1.热超声倒装键合机换能器监测和分析系统，包括超声信号发出器，换能器系统，其特征在于在超声信号器和换能器之间接入电流传感器和电压传感器，将换能器系统的驱动电流和电压信号提取出来，再将电流、电压信号经数据采集系统进入计算机，经A/D转换后，得数字化电流、电压信号，计算得到输入功率和输出阻抗的有效值，再根据有效值曲线计算得到键合过程中换能器系统的平均输入功率，得到键合强度与输入功率之间的关系，实现监测和分析。
2.根据根据要求1所述的换能器监测和分析系统，其特征在于键合1×1mm的硅芯片，有28个铝焊盘键入20个直径为80μm、高度为50μm的对称排列的金凸点，键合的功率窗口为1.0～1.6W，换能器系统的输入功率小于1.0W时，为无连接键合失效，换能器系统的输入功率大于1.6W时，为金凸点变形键合失效，换能器系统的输入功率介于1.0～1.6W为键合成功。
全文摘要
热超声倒装键合机换能器监测和分析系统，包括超声信号发出器，换能器系统，本发明在超声信号器和换能器之间接入电流传感器和电压传感器，将换能器系统的驱动电流和电压信号提取出来，再将电流、电压信号经数据采集系统进入计算机，计算输入功率和输出阻抗的有效值，再根据有效值曲线计算得到键合过程中换能器系统的平均输入功率，得到键合强度与输入功率之间的关系，实现热超声倒装键合强度的在线监测。换能器系统功率信号容易获得和实现，可定量反映键合强度，实现强度的在线监测，并不影响换能器系统的性能。
文档编号B29C65/08GK101073851SQ200610031670
公开日2007年11月21日 申请日期2006年5月18日 优先权日2006年5月18日
发明者王福亮, 韩雷, 钟掘, 广明安 申请人:中南大学