键合工具对超声换能器系统谐振频率的影响

　　超声引线键合是微电子封装广泛采用的芯片互连技术,目前世界上90%以上的IC芯片互连采用了超声引线键合。随着微电子制造技术的不断发展,集成电路线宽将由目前的0.09Lm不断减小,到2008年将达到0.057Lm,与此相适应,引线键合的焊盘间距将由35Lm减小到20Lm[1]。芯片互连细间距焊盘的要求给超声引线键合提出了新的挑战,如何提高键合系统工作的可靠性,实现高质量、高精度的芯片互连始终是人们普遍关注的问题,国内外学者为此进行了大量的研究工作[2-6]。PaulWing-Po Chu等人在换能器上增加一个环型压电陶瓷(PZT)传感器,设计了一个智能型换能器,通过检测键合过程振动幅值的变化实现引线键合质量的在线检测[7];Z.W. Zhong等人注意到键合工具系统的振动特性对键合质量的影响,采用激光多普勒测振仪对负载条件下劈刀末端的振动特性进行了实验研究[8],采用新的劈刀材料,并对键合工艺参数进行了优化;林书玉等对纵-弯复合系统的振动特性作了研究[9],并根据理论分析和实验得出系统的共振频率与纵向振动细棒及弯曲振动细棒的关系。然而,已有的工作尚未对劈刀与变幅杆的匹配关系与振动特性展开深入研究。本文将换能器、变幅杆和劈刀作为一个完整的超声振动系统,通过建立系统的振动分析有限元模型研究系统的固有特性,探讨劈刀的长度及安装位置对系统固有频率的影响规律,并通过实验测试引线键合机超声振动系统的机械阻抗特性。

　　1 超声引线键合系统组成与工作原理

　　超声引线键合利用超声波的能量使金属丝与焊盘在常温下直接键合,由于键合工具头呈楔形,故又称楔压焊。超声引线键合机的核心部件是超声键合系统,主要由超声波发生器、换能器、变幅杆、键合工具(劈刀)等组成,如图1所示。超声引线键合的工作原理:超声波发生器输出的高频电压(20kHz以上)激励换能器中的PZT产生超声振动,通过变幅杆作用将超声振动的幅值放大,并将超声能量传递到键合工具—劈刀上,使劈刀产生机械运动。在一定的键合压力作用下,超声能量被金属丝吸收,使金属丝发生流变,并破坏工件表面氧化层,暴露出洁净的表面,形成相互粘合而完成芯片的互连[10]。

　　2 键合系统振动分析

　　超声引线键合系统包括换能器、变幅杆和劈刀,各部分通过机械连接成一个完整的超声振动系统,研究超声振动系统的固有特性与振动传递规律应包含这3部分。已往的研究主要集中在对换能器及变幅杆振动特性的分析[11-12],本文将换能器、变幅杆和劈刀作为一个完整的振动系统,运用有限元方法分析劈刀的振动特性对键合系统振动的影响。

　　2.1 有限元分析模型