倒装芯片键合头力学特性研究与结构优化

摘要

倒装芯片键合机是基于倒装焊工艺发展起来的微电子后封装新设备。键合头是倒装键合设备中精度要求最高的运动部件,主要用于完成芯片的拾取、蘸胶和键合。在实际工作中,键合头常因结构刚度不足在冲击载荷和周期激振力的作用下产生较大的变形和残余振动,直接影响芯片的键合精度。本课题以国内某企业研发的C2W型高密度倒装芯片键合头为对象,研究了键合头的静态和动态结构力学特性,并对其关键薄弱环节进行了结构优化和分析验证。本文研究的主要内容如下:
　　1.建立了键合头的三维实体模型和有限元模型。针对键合头的实体结构,分析了倒装芯片键合工艺特点和键合头的总体结构组成,建立了键合头的三维实体模型,给出了键合头有限元简化原则,建立了键合头的有限元模型。
　　2.研究了键合头的静态和动态结构力学特性。给出了键合头静态和动态力学特性的分析方案,计算了键合头在静/动载荷作用下的静态变形量,分析了安装/未安装拾取头组件的键合头在制动/非制动工况下的约束模态特性。
　　3.优化了键合头薄弱部件的结构力学特性。根据键合头的静态和动态力学特性的分析结果,提出了基于灵敏度分析的设计参数优选和基于层次分析法的最优解提取相结合的优化方法,计算了设计参数对优化目标的灵敏度,建立了多目标优化数学模型,对拾取臂部件进行了以最大变形量最小、一阶固有频率最大、结构质量尽量减轻的多目标优化计算与分析。
　　4.验证了键合头的仿真计算结果和有限元模型。采用理论计算与实验测试相结合的方法研究了简化安装工况下键合头的约束模态特性,给出了键合头实验模态测试方案,联合采用ANSYS Workbench有限元软件和LMS、Polytec等实验工具分别获得了键合头在安装工况下的模态参数,通过对比仿真与实验的结果,验证了仿真结果的正确性和有限元模型的精度。
　　本课题得到“十一·五”国家重大专项02专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”之《C2W型高密度倒装芯片键合设备开发及产业化》(No.2012ZX02601)和国家自然科学基金《基于新一代 GPS标准公差模型和测量认证方法》（No.50865003)的资助。

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第一章 绪论

§1.1 引言

§1.2 课题研究背景和意义

§1.3 课题的研究现状

§1.4 课题研究的主要内容和论文框架

第二章 倒装芯片键合头建模与静态特性研究

§2.1 引言

§2.2 倒装芯片键合头三维建模与结构分析

§2.3 倒装芯片键合头静态力学特性分析

§2.4 本章小结

第三章 倒装芯片键合头动态特性研究

§3.1 引言

§3.2 倒装芯片键合头计算模态分析方案

§3.3 倒装芯片键合头多工况约束模态计算与分析

§3.4 倒装芯片键合头模态计算结果对比与分析

§3.5 本章小结

第四章 倒装芯片键合头关键零部件的多目标结构优化

§4.1 引言

§4.2 倒装芯片键合头结构优化方案

§4.3 倒装键合头拾取臂的结构优化设计

§4.4 倒装键合头拾取臂优化结果对比验证

§4.5 本章小结

第五章 倒装芯片键合头模态实验与有限元验证

§5.1 引言

§5.2 倒装芯片键合头模态实验研究

§5.3 倒装键合头模态实验结果提取与分析

§5.4 倒装芯片键合头计算模态与实验模态结果对比验证

§5.5 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1 课题研究总结

§6.2 展望

参考文献

致谢

附录 作者在攻读硕士学位期间的主要学术成果