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             研究进展
“微电子光电子器件的高性能封装原理、新工艺与装备”研究进展
发布时间:2018-04-19    浏览次数:769

微电子和光电子是信息技术的两大支柱。我国微电子封装产业达到数千亿元。互连封装占微电子、光电子器件制造成本的70%以上。

为了自主研发新一代微电子光电子器件的互连封装技术,项目组深入研究封装机理,提出新工艺,自主研发高性能封装装备。主要成果有:

1)微电子互连封装:揭示了三维引线成形机理,提出了引线弧线的圆心映射快速设计新方法,自主研发了长引线低弧度高密度金丝球焊方法、多芯片堆叠互连技术、厚膜悬臂键合新工艺,研制了压电驱动胶液精确喷射阀。

2)光电子耦合封装:建立了光电子器件的耦合传输分析模型,提出了自动耦合封装工艺和全局寻优搜索算法,自主研发了多个类型器件的自动化高性能耦合封装装备,打破了国际垄断。

成果广泛应用于我国微电子光电子封装企业,有力推动了行业技术发展。

1、提出了微电子三维互连的引线键合新工艺与技术

随着微电子互连向高密度、超薄及凸点间距缩小发展,多芯片叠层和悬臂结构使三维封装易产生键合过程失效、超低弧(<75μm)、大跨距(6-8mm)引线稳定性等问题,对引线互连技术提出了新挑战。

1)提出了引线弧线的圆心映射设计新方法,建立了复杂引线成形设计模型

揭示了引线的成形机制和刚度规律,提出了基于圆心映射的劈刀路径规划与弧线设计新方法;建立了引线弧形的可变长连杆-弹簧设计模型,开发了设计软件,实现了复杂形状低弧大跨度 (折点≥5个、跨度>8000μm、弧高<120μm) 引线的快速、准确设计,打破了国外对弧线设计技术的垄断。

基于圆心映射的通用弧线设计方法      可变长连杆-弹簧(VLLS)分析设计模型

针对三维封装技术需求,开发了深腔键合新引线工艺;提出了三维叠层封装的弧线形式,引入支撑点来形成折点,实现了超低超大跨度弧线成形。

        

 深腔键合引线成形过程的可视化设计        三维叠层封装超低超大跨度n弧线

2)提出了长引线低弧度高密度金丝球焊方法与多芯片堆叠封装低弧互连技术

提出了长引线低弧度高密度金丝球焊方法,完成了引脚100个、间距0.4mm、厚度1.4mm的窄间距引线键合;开发了多芯片堆叠三维封装的低弧度压焊技术,解决了低弧度窄间距引线易碰线难题,实现了3层以上堆叠芯片的引线互连。

3)提出了厚膜悬臂键合新工艺,提高了键合强度

针对Cu线悬臂键合过程冲击大、难以实现高性能键合的问题,提出了增加芯片焊盘的Al层厚度、改善动力学特性、减小冲击的工艺思路。将Al层厚度增加到2.8μm,挠度减小70%,提高了悬臂键合强度。

芯片Al1.0μm的实时挠度(左),芯片Al2.8μm的实时挠度(中),剪切强度(右)

4)提出了用于封装的高速度高精度喷射点胶新技术

揭示了喷射点胶机理,提出了通过放大喷针位移实现高速度高精度喷胶的技术思路,研制了压电驱动的喷射点胶阀,点胶速度达300/秒,最小胶滴体积25纳升,胶滴直径误差小于10%,部分性能达到国际领先水平。

                     压电驱动喷射阀                               喷射阀控制电路                                   喷针位移曲线                  

2、自主研发了同轴型光电子器件的高性能耦合封装工艺与装备

光电子器件耦合封装是将其功能结构与光纤耦合,制造高精度高保真的光信号传输通道。由于单模光纤芯径只有8-10微米,因此其耦合对准是严峻的技术挑战,需要达到亚微米精度,自动化耦合封装技术与装备被国外垄断。

1)建立了光电子器件耦合传输模型,确定了耦合精度阈值

揭示了耦合界面的光波传输与畸变行为,建立了耦合模型,获得了耦合误差对光传输性能的影响规律,确定了横向偏移量容差为±1μm

 

器件耦合的损耗规律

2)研发了光电子器件的高性能自动耦合封装工艺,提出了全局耦合搜索算法

为了解放封装工人的眼睛,自主研发了自动化耦合封装工艺,提出了基于光学耦合模型的全局耦合搜索算法,开发了快速定量反馈控制系统,克服了人工对准封装对操作员的依赖性,提高了性能一致性和生产效率。

器件耦合过程及其光功率损耗变化

3)自主研制了多种类型光电子器件的高性能自动化耦合封装设备

突破了自动耦合对准、在线检测、激光焊接等关键技术,自主研制了EPON LDPD等光电子器件的自动化耦合封装设备,耦合对准精度达到0.3 mm,器件封装后功率降<0.5dB,实现了高精度高性能耦合封装,打破了国际垄断。

  

 EPON耦合焊接设备       LD耦合焊接设备         PD耦合粘接设备

3、成果影响与工业应用

发表SCI论文152篇,获得国家授权专利21项,出版专著4本,获省部级一等奖2项、二等奖3项。

自主研发的封装技术与装备打破了国际垄断,成功应用于我国微电子光电子器件封装制造行业,为行业技术发展做出了重要贡献:

1微电子三维封装技术应用于我国中电科45所、华天科技等微电子封装企业。压电驱动喷射点胶阀应用于京东方、天马等新一代显示器制造龙头企业。

2光电子器件的自动化耦合封装装备广泛应用于深圳九州、青岛海信、武汉正源、育诚飞等10余家光电子企业,有力推动了行业的技术进步。