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自蔓延反应键合工艺研究及应用

作　者: 彭聪
导　师: 刘胜
学　校: 华中科技大学
专　业: 光电信息工程
关键词: 微机电系统封装自蔓延反应反应键合局部加热封装数值模拟异质集成圆片级封装
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

自蔓延反应加热键合具有键合效率高、对器件热影响小、键合成本低等优点,使其既可用于光电子集成,也可用于MEMS封装,并可与常用的MEMS封装制造方法(如共晶键合和焊料键合)结合起来,通过与半导体微加工技术集成,有望形成一种标准化的MEMS封装制造技术。本文以自蔓延反应键合研究为基础,以光电子异质材料集成和自蔓延反应局部加热图形键合为主线,通过理论分析、数值模拟与键合实验相结合的研究手段,对自蔓延反应加热键合与圆片级局部反应加热图形封装键合进行了较为系统、深入的研究。本研究论文第1章首先介绍了MEMS及其封装技术特点,第2章以自蔓延反应传热传质理论为基础,研究了自蔓延反应加热的传热传质特性,理论分析了浓度变化、传热量、反应速度等自蔓延反应特征,建立了自蔓延反应加热模型,运用ANSYS软件,通过“非线性、全瞬态热分析方法”模拟了自蔓延反应键合过程。第3章根据自蔓延放热反应特性,通过DSC、XRD/XRF等研究手段,对自行研制的Ni/Al纳米颗粒活性反应薄膜的反应放热量及反应产物进行了分析。试验明,研制的Ni/Al纳米颗粒活性薄膜的DSC曲线中存在3个放热峰,总放热量为57.5kJ/mol, XRD/XRF谱线显示最终反应产物为B2 NiAl。将测试数据输入到自蔓延反应键合模型中,模拟了反应键合过程中的热量传递与温度场分布。第4章研究了反应键合工艺条件对键合质量的影响,这些影响因素包括键合压力、焊料成分、焊料厚度等。研究表明,随着键合压力从50kPa增大到600kPa,平均键合抗拉强度从0.5MPa增大6MPa,当压力继续增大时,键合强度下降;不同焊料成分对键合强度具有较大影响;反应放热量决定了焊料层最佳厚度,对40μm厚的反应活性片,SnAg焊料层最佳厚度为25μm。本章最后采用反应键合,开展了异质材料键合研究。第5章进行了圆片级反应局部加热图形键合试验。使用自行设计的一套半导体加工工艺,在硅圆片上加工出封装槽并进行反应键合,成功完成了气密封装。在600kPa的键合压力下,使用40微米厚的反应活性片,对电镀58μm厚的铅锡焊料的圆片键合时,键合强度高、气密性好。微观分析发现,键合界面良好。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-17
  1.1 微机电系统(MEMS)及其封装技术  9-12
  1.2 自蔓延反应及其在焊接、封装中的应用  12-15
  1.3 课题来源、研究内容及全文框架  15-17
2 自蔓延反应加热理论与有限元模型  17-37
  2.1 自蔓延反应及自蔓延反应加热原理  17-27
  2.2 自蔓延反应加热有限元模型  27-32
  2.3 模拟结果  32-35
  2.4 本章小结  35-37
3 Ni/Al 纳米颗粒活性反应膜制备与测试  37-48
  3.1 Ni/Al 纳米颗粒活性膜的制作  38-39
  3.2 Ni/Al 纳米颗粒活性反应膜的点燃  39
  3.3 Ni/Al 纳米颗粒活性反应膜的特征  39-46
  3.4 Ni/Al 纳米颗粒活性反应膜的反应速度  46-47
  3.5 本章小结  47-48
4 反应键合工艺研究  48-58
  4.1 自蔓延反应加热键合  48
  4.2 自蔓延反应键合工艺  48-52
  4.3 键合工艺影响研究  52-55
  4.4 键合界面分析  55-57
  4.5 本章小结  57-58
5 反应局部加热图形键  58-70
  5.1 反应局部加热图形键合试验  59-60
  5.2 圆片级图形的制作  60-64
  5.3 圆片级自蔓延反应局部加热键合  64-65
  5.4 圆片级自蔓延反应局部加热封装气密性检测及强度测试  65-67
  5.5 圆片级反应键合试验结果  67-69
  5.6 本章小结  69-70
6 总结与展望  70-72
  6.1 全文总结  70-71
  6.2 今后工作的建议与展望  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-80
附录1 攻读硕士学位期间发表的论文及专利  80-81
附录2 材料特性参数  81-83

自蔓延反应键合工艺研究及应用

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