倒装芯片键合(Flip-chip bonding)作为一种面阵列互连工艺,具有互连长度短、互连密度高的优势,广泛应用于高引出段数的超大规模集成电路封装及高频集成电路封装领域。相比于传统的钎焊倒装芯片键合工艺,热超声倒装键合具有键合时间短、键合温度低等优点,已经在LED阵列、SAW滤波器和MEMS等器件封装上得到了成功的应用。由于热超声倒装芯片使用电性能更好的金属凸点(如金、铜)实现互连,因而在工作频率较高的射频微波器件封装上有更大的应用前景。目前热超声倒装芯片的多数应用都是引出端数相对较少的四周阵列器件。然而在热超声倒装芯片封装工艺实践中,对于更高密度的面阵列器件,同时保证阵列中所有凸点的键合质量遇到了明显的困难,以往对于单个凸点键合采用的工艺参数匹配的做法存在明显的局限性,键合工艺可靠性无法保证。本文针对基于电镀金凸点的面阵列倒装芯片热超声倒装键合质量问题,围绕芯片剪切断口形貌与键合质量的联系、单点质量的工艺参数控制、凸点阵列键合质量的差异性及凸点阵列键合质量控制展开了试验与建模仿真研究。主要内容和贡献概况如下:(1)利用倒装设备及超声键合吸头实现了较高引出端数的面阵列倒装芯片的热超声倒装键合,并对键合后的芯片进行了芯片剪切试验和断裂模式分析。分析了四种典型的剪切断口形貌,并结合电通断测试结果分析了开路/短路失效点的失效模式;讨论了凸点热超声键合的三位有限元建模方法,并使用Ansys Workbench LS-dyna动态有限元仿真软件实现了单个凸点热超声键合的键合形成过程的动态仿真,得到了键合过程中凸点、UBM及键合界面的应力合塑性应变的演变规律,结合几种失效点的断裂模式,得到了几种失效模式的内在失效机理并给出了单点键合质量的影响因素。(2)分别以超声振幅和键合压力为变量进行了单凸点热超声键合动态有限元仿真,得到了键合形成过程中键合系统的瞬态特性随工艺参数变化而变化的趋势,讨论了超声振幅和键合压力在键合形成过程中的作用机理;相对应的进行了不同工艺参数组的键合试验,观察了芯片剪切强度和剪切断口分布的变化,得到了超声振幅、键合压力和时间对凸点热超声键合质量的影响。(3)建立了3×3凸点阵列的热超声倒装键合三维有限元模型,通过仿真得到了了阵列不同位置凸点和应力应变分布差异,分析发现键合压力分布不均和凸点振动偏移是造成凸点阵列键合质量差异性的系统因素,而基板焊盘共面性和凸点共面性等随机因素也会增加键合压力分布的不均;讨论了通过非破坏性检测对键合质量进行判断的方法,最后基于本课题使用的键合系统给出了通过倒装后的焊点直径对阵列各个点的键合质量进行评估的质量控制准则。