热超声倒装键合同步触发系统的设计
李建平, 霍军亚, 王福亮, 韩 雷, 钟 掘
(中南大学 机电工程学院, 湖南 长沙, 410083)
摘要: 通过热超声倒装键合测量系统同步触发实验对比研究了单片机扫描工作模式和单片机中断工作模式触发系统的稳定性和触发延迟方面的性能。 实验结果表明: 单片机中断工作模式的触发系统具有更稳定的最大延迟时间、 平均延迟时间和延迟时间标准方差, 最大延迟时间、 平均延迟时间和延迟时间标准方差都比单片机扫描工作模式的触发系统的低, 特别是其延迟时间标准方差仅为0.5 μs。 单片机中断工作模式的触发系统的平均触发延迟时间为9 μs, 小于热超声振动周期且每次触发延迟时间恒定。 对热超声倒装键合数据采集系统和多普勒测振系统进行同步触发实验, 结果进一步证实: 中断工作模式的触发系统能够满足热超声倒装键合数据采集系统和多普勒测振系统的实时性、 精确性及稳定性等方面的要求, 可以实现对有效数据的精确截取。
关键词: 热超声; 倒装键合; 触发; 中断; 扫描
中图分类号:TN345+.4 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)06-1026-05
Synchronization trigger system design of thermosonic flip-chip bonding
LI Jian-ping, HUO Jun-ya, WANG Fu-liang, HAN Lei, ZHONG Jue
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The stability and the delay time of the scan working model trigger system and the interrupt working model trigger system were compared and studied by the experiment of synchronization trigger of the thermosonic flip-chip bonding. It is found that the stability of the interrupt working model trigger system is better than that of the scan working model trigger system. The biggest value, average value and the standard deviation of the delay time are all smaller than those of the scan working model trigger system, especially the standard deviation is just as small as 0.5μs. The result indicates that the delay time of the interrupt working model trigger system is 9 μs, which is less than a cycle of the thermosonic and invariableness. The interrupt working model trigger system is superior to that of the scan working model trigger system. It is also confirmed that it can be used as a precise synchronization trigger system by triggering the thermosonic flip-chip bonding’s data acquisition system and polytec vibration measure system.
Key words: thermosonic; flip-chip bonding; triggering; interruption; scan
热超声引线键合是目前最通用的芯片互连技术[1-3], 在键合过程中加入热超声, 不但可以实现低温焊接从而使工艺变得简单[4,5], 而且可以实现传统焊接技术无法实现的不同熔点的相异金属之间的键合[6,7], 因而, 在芯片互连技术中得到广泛的应用[8-10]。 但是, 热超声引线键合存在成本高、 效率低、 只能实现单点键合的缺点[11]。 而热超声倒装芯片技术虽具有成本低、 质量好、 体积小、 效率高[12-14], 一次可以实现多点键合的优点[15-17], 但也存在工艺复杂、 难以控制的缺点[18,19]。 热超声倒装键合正是一种综合了二者优点、 克服二者缺点的芯片连接技术, 目前国内外正处于实验阶段。 在实验过程中, 通过对热超声引线键合系统和热超声倒装系统主要部件电压、 电流及劈刀热超声振动等关键技术参数的采集, 分析热超声引线键合机理和热超声倒装机理, 揭示系统各个参数对热超声引线键合系统和热超声倒装系统的影响, 然后将热超声引线键合系统和热超声倒装系统改装为热超声倒装键合实验装置, 并根据键合效果有针对性的改变系统参数, 改善系统性能[20], 提高热超声倒装键合质量。 因为热超声倒装键合机理本身十分复杂, 在实验中需对热超声引线键合系统和热超声倒装系统各部件的电压和电流及劈刀热超声振动进行同步测量, 需要一个触发系统触发它们同时工作, 要求触发系统的延迟时间小于热超声的1个时间周期, 每次延迟时间恒定。 目前, 已有的触发系统不能满足热超声倒装键合同步触发实验的要求。 在此, 作者结合数据采集系统和多普勒测振系统设计一个稳定的外部触发系统, 以解决热超声倒装键合时电压、 电流数据采集和劈刀热超声振动测量的同步触发的问题, 实现对有效数据的准确截取。
1 热超声倒装键合装置
热超声倒装键合示意图如图1所示, 主要包括热超声发生装置、 PZT换能器、 夹持器、 变幅杆、 劈刀、 工作台等。 工作原理为: 热超声发生器发出超声频率的电信号经PZT换能器转换为机械振动, 振动经过变幅杆和劈刀传输放大后作用在芯片上, 在压力和热超声振动作用下将芯片上的多个金属球和基板焊盘1次倒装键合在一起。
图 1 热超声倒装键合装置系统示意图
Fig. 1 Sketch of thermosonic flip-chip bonding system
触发系统的输入信号是系统热超声倒装键合时热超声发生器的驱动电压, 驱动电压完整波形如图2所示, 驱动电压部分波形如图3所示, 频率为60 kHz。 触发系统检测到高电平信号输入时发出高电平信号来触发数据采集系统和多普勒测振仪同步工作。
图 2 热超声倒装键合装置系统驱动电压完整波形
Fig. 2 Full waveform of driving voltage of thermosonic flip-chip bonding system
图 3 热超声倒装键合装置系统驱动电压部分波形
Fig. 3 Part waveform of driving voltage of thermosonic flip-chip bonding system
2 触发系统设计
2.1 基于扫描工作模式的触发系统的原理及实现
根据单片机的扫描工作原理设计硬件控制系统, 以实现触发功能[21]。 其电路原理设计部分如图4所示, 软件流程图如图5所示。 用89C51单片机作为触发系统的控制中心, 单片机的P1.0端口为触发系统的输入端口, P2.0为触发系统的输出端口; 采用外部时钟电路, 晶振频率为12 MHz; 端口31和9所连接电路为复位保护电路; 输入端口接5 kΩ的电阻是为了防止输入电流太大对单片机造成损坏, 采用高电平触发。
图 4 扫描工作模式触发系统的电路原理图
Fig. 4 Circuit principium diagram of scan working model trigger system
图 5 扫描工作模式的触发系统软件流程图
Fig. 5 Software flow chart of scan working model trigger system
系统启动后单片机初始化并扫描输入端口, 直到扫描到输入端口为高电平信号时结束扫描, 由P2.0端口输出高电平信号触发数据采集系统和多普勒测振系统同步工作。
2.2 基于中断工作模式的触发系统原理及实现
根据单片机的中断工作原理设计硬件控制系统, 以实现触发功能[22]。 电路原理设计如图6所示, 与扫描工作模式触发系统原理图的不同之处在于该触发系统用外部中断端口INT0代替P1.0作为触发系统输入端口, 由于单片机外部中端口工作模式只能是下降沿或者低电平有效, 而驱动电压信号起始为上升信号, 所以, 信号输入单片机之前先经过一个非门转换, 设定单片机中断工作模式为下降沿触发。
触发系统软件工作流程如图7所示。
系统启动后, 单片机初始化并运行等待中断, 等到触发系统输入端口上升沿到来时, 单片机中断端口会出现一个下降沿, 单片机检测到此下降沿就输出高电平信号, 该信号触发热超声倒装键合数据采集系统和多普勒测振系统同步工作。
图 6 中断工作模式的触发系统电路原图
Fig. 6 Circuit principium diagram of interrupt working model trigger system
图 7 基于中断工作模式触发系统的软件流程图
Fig. 7 Software flow chart of interrupt working model trigger system
3 结果和分析
实际测量2个触发系统延迟时间数据各1000组作为考察对象, 扫描工作模式触发系统的触发延迟时间分布如图8所示, 中断工作模式触发系统的触发延迟时间分布如图9所示。 其中, 横轴表示延迟时间, 纵轴表示触发延迟时间在相应的时间段出现的次数, 扫描工作模式触发延迟时间分布在8~19 μs之间, 最大延迟时间为19 μs, 平均时间为13 μs, 延迟时间标准方差为3 μs。 标准方差较大, 这表明触发延迟波动较大, 这是因为单片机采用了循
图 8 扫描工作模式的触发延迟时间分布直方图
Fig. 8 Delay time distribution straight square chart of scan working model trigger system
图 9 中断工作模式的触发延迟时间分布直方图
Fig. 9 Delay time distribution straight square chart of interrupt working model trigger system
环扫描的工作方式, 程序循环体为:
LOOP: MOV C, P1.0
RLC A
CJNE A, #1, AA ; 采集P1.0端口数据与 1比较大小
AA: JNC OUT ; 大于或等于1跳转到OUT, 否则往下执行
AJMP LOOP ; 跳转到LOOP
在此循环体中, 只有一步MOV C,P1.0是采集P1.0端口电压信号, 只有当电压信号为高电平并且运行到MOV C,P1.0系统时, 才通过比较输出高电平触发信号。 因此, 从触发系统输入端口出现高电平信号到触发系统输出高电平触发信号的延迟时间不精确。 而中断工作模式的触发系统不需要循环执行程序, 所以, 延迟时间较短, 并且触发系统每次触发前都执行等待中断的命令, 每次触发延迟时间是固定的。 中断工作模式与扫描工作模式的触发系统延迟时间技术参数对比如表1所示。
表 1 扫描工作模式的触发系统和中断工作模式的触发系统延迟参数
Table 1 Delay parameters of scan working model trigger system and interrupt working
model trigger system
可见, 中断工作模式的触发系统的延迟标准方差为0.5 μs, 远小于扫描工作模式的触发系统的延迟标准方差(3 μs), 说明中断工作模式的触发系统延迟时间恒定, 远远优于扫描工作模式的触发系统。 采用中断工作模式的触发系统成功触发数据采集系统采集驱动电压如图2所示, 驱动电流如图10所示。 同步触发多普勒测振系统可测得劈刀的热超声振动。
图 10 热超声倒装键合装置系统
驱动电流完整波形
Fig. 10 Full waveform of driving current of thermosonic flip-chip bonding system
4 结 论
通过实验证实了中断工作模式的触发系统运行稳定, 平均触发延迟为9 μs, 延迟时间标准方差仅为0.5 μs, 可以在1个热超声周期内实现对热超声倒装键合数据采集系统和多普勒测振系统的精确触发, 从而实现了数据采集系统和多普勒测振仪的同步工作, 对热超声倒装键合实验中各部件电压、 电流及劈刀热超声振动的有效数据进行精确截取, 为热超声倒装键合系统的机理分析和系统改进提供了测试条件。
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收稿日期:2005-05-06
基金项目: 国家重大自然科学基金资助项目(50390064); 国家教育部留学回国人员基金资助项目(76084); 国家“973”计划项目(2003CB716202)
作者简介: 李建平(1952-), 男, 湖南长沙人, 教授, 博士, 从事微电子封装研究
论文联系人: 李建平, 男, 教授, 博士; 电话: 0731-8830293(O); E-mail: rikennpei102@hotmail.com
