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超薄芯片无损剥离的机理研究与工艺优化

【摘要】:芯片的剥离是完成单个裸芯片由晶圆盘向目标电路转移的核心工艺之一,尤其是面对日趋超薄化的芯片,实现其无损剥离对于降低封装成本,提高产品成品率、改善器件可靠性等有着显著意义。本文从顶针推顶剥离工艺的力学建模、机理分析和相关试验等方面对超薄芯片的无损剥离技术进行了深入系统的研究,并初步建立了芯片无损剥离的工艺优化方法。本文主要研究工作和创新之处包括: 1)建立了芯片-胶层-基底粘结结构的力学模型。将较薄的柔软胶层简化为可描述结构剥离和剪切行为的分布式弹簧组,并提出了与之相适应的解析求解方法。用弹簧的断裂行为模拟薄芯片与柔性粘结基底之间的剥离过程,给出了芯片发生剥离的混合模式能量释放率解析公式。 2)将粘结断裂理论引入超薄芯片的剥离工艺机理分析,通过理论建模与虚拟断裂有限元仿真技术,揭示了芯片粘结结构的几何尺寸、材料物理属性以及顶针推顶载荷等因素对芯片剥离的影响机制。研究了基底受预拉伸的周期阵列化芯片结构发生预剥离的机理,揭示了顶针推顶工艺促使芯片从粘结蓝膜上发生剥离的规律,并讨论了多顶针工艺相比于单顶针的优势。 3)揭示了超薄芯片在三点弯曲强度测试过程中的非线性现象,并引入几何大变形理论修正了传统的线性测试评估公式,消除了因线性理论本身而引入的误差以适应超薄芯片强度测试的要求。为方便将该非线性理论公式应用于实际工程测试,在传统线性公式基础上定义了修正因子,以逼近非线性理论公式的评估精度。 4)推导了材料临界粘结断裂能的实验评估公式,并讨论了粘结蓝膜的可延展性对其剥离评估公式的影响。结合剥离实验,研究了软质粘结蓝膜的可剥离特性,揭示了粘结剥离的驱动剥离力、剥离角以及裂纹尖端传播速度等之间的相互依赖关系,探索了如何获得剥离发生之初始条件的可行实验方法。 5)研究了超薄芯片发生粘结断裂剥离与弯曲碎裂之间的竞争关系,并结合强度理论和Griffith断裂准则,提出了超薄芯片成功实现无损剥离的判定标准。分析了芯片厚度和长度等对工艺窗口的影响,界定了传统单顶针工艺与多顶针工艺的适用范围,并给出了多顶针的分布对剥离过程的影响。最后通过不同尺寸芯片的推顶剥离试验,从原理上验证了多顶针工艺优化方法的可行性。

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