倒装焊过程数值模拟的优化方法

图4.17所示为超声振动对等效应力分布的影响，图4.17a所示是没有超声振动的热压键合的情况，图4.17b所示是有超声振动的热压键合情况，其中A_o=10nm，f_v=60kHz。键合条件为P=392MPa，T=473K，尺寸比H_o/X_o=1，其中，H_o是初始凸点高度；X_o是凸点的初始宽度KD（如图4.16所示）。图中基板焊盘的厚度扩大了30倍，实际尺寸是1_μm。该实例忽略了IC芯片。如果未施加超声振动，等效应力分布具有平面对称性，如图4.17a所示，其应力值不会超过392MPa。当超声振动垂直于y方向施加时，应力分布不具对称性。如果滑移足够小，应力水平远高于392MPa，如图4.17b所示。根据式（4.2）可知，应变率明显增加，故通过施加超声振动可以增加凸点的变形。图4.17表明施加超声振动时凸点的压缩率可以高出无超声振动时的90倍。Liu（2004）模拟了通过施加超声振动提高压缩率的情况。图4.18为施加超声振动情况下的滑移分布。节点N_s=1～25是键合界面上的节点，热压键合过程的摩擦滑移比热超声过程小得多。

图4.17 超声振动对桶形凸点H_o/X_o=1，在t=Tυ时等效应力分布的影响

（T=473K，P=392MPa，A_o=10nm，f_v=60kHz）

超声振动不仅有利于凸点的变形，而且有利于界面滑移。如果超声振动施加于右侧，压力将集中在右侧边缘处，并且不会出现摩擦滑移。另一方面，由于压力作用，拉应力出现在左侧边缘，如果凸点高度相对于宽度较大，则切应力以相反方向出现在左侧。因此，在这个假设不发生分离的简单模型中，左侧滑移率是负的。即使发生了分离，由于接触界面压力的增加，接触区域的摩擦滑移也不会变大。由此可知，很高的超声能量会导致界面变形不稳定，从而引发不稳定的、复杂的滑移行为。键合压力可以约束不稳定的界面变形行为，并导致摩擦滑移减小。因此，必须设置合适的键合条件来成功实现倒装芯片键合过程。

图4.18表明在滑移足够小的情况下，滑移会优先发生在凸点键合的中心区域。如果超声振动施加在右侧，右侧键合界面边缘由于键合压力较高而基本不发生滑移，但左侧界面可以滑移，从而发生分离。当超声能量较小时，超声振动下局部的分离以及相对滑移可能引起边缘滑移。由于毛细管的形状不同（Lum等，2005），这种情况有时会在热超声球焊中看到。即使热超声球焊中连接从中心区域开始（金属间化合物从中心区域开始形成），滑移通常也是始于中心区域。(www.xing528.com)

图4.18 取决于界面位置的界面滑移率

（沿界面KD的节点编号N_s如图4.16所示，点K相对于N_s=1，点D相对于N_s=25）

图4.18表明中心区域更容易滑移，右侧边缘（N_s=23～25）处在中心区域的前方，不能滑移。中心区域向前方滑移。左侧边缘（N_s=1～3）的负滑移也小于中心区域（N_s=7～19）的滑移，这说明界面滑移会导致键合界面收缩。随着凸点初始高度的减小，又由于切应力与超声振动的方向相同，对侧的负滑移不再发生。由此可知，摩擦滑移会使键合界面收缩而不是扩张，如接触面积不会在摩擦滑移下收缩。接触面积的增加主要是由于凸点变形的折叠机制引起的，然而，摩擦滑移能够分散表面氧化物或者污染物薄膜，从而促进键合（Harman和Albert，1977）。另外，摩擦滑移还能加热键合界面，有助于实现中心键合区域的键合。

丝球焊超声能量的增加会导致总体滑移的出现（Lum等，2005）。局部滑移到总体滑移的转折点取决于键合载荷、超声振动值以及键合工具的形状等。然而，由于倒装焊中的芯片是平的，法向应力分布不同于采用毛细工具的球焊过程。如图4.18所示，超声振动不够大时，中心区域容易发生摩擦滑移。由于IC芯片的超声振动幅度远远低于丝球焊过程，倒装焊过程中使凸点和焊盘产生连接的较大总体滑移可以忽略，故本章不讨论伴有较大总体滑移的凸点变形。数值计算结果表明：大的总体滑移会引起较大的应力释放。在总体滑移较大时，超声振动并不能促进凸点变形，这与Liu等人（2004）在超声球焊过程中得到的结论相同。换句话说，超声振动对于凸点变形的促进效果（如图4.17所示）在总体滑移较大情况下变弱。摩擦键合很复杂，很多工艺都取决于载荷、温度、键合工具的几何尺寸、凸点和焊盘厚度的尺寸比等。本节主要讨论了小滑移条件下凸点的键合情况，有必要模拟带有界面分离过程的复杂滑移行为，从而加深对热声或超声键合过程的理解。