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  • 科學研究  

                 研究進展
    “微電子光電子器件的高性能封裝原理、新工藝與裝備”研究進展
    發布時間:2018-04-19    瀏覽次數:6399

    微電子和光電子是信息技術的兩大支柱。我國微電子封裝產業達到數千億元?;ミB封裝占微電子、光電子器件制造成本的70%以上。

    為了自主研發新一代微電子光電子器件的互連封裝技術,項目組深入研究封裝機理,提出新工藝,自主研發高性能封裝裝備。主要成果有:

    1)微電子互連封裝:揭示了三維引線成形機理,提出了引線弧線的圓心映射快速設計新方法,自主研發了長引線低弧度高密度金絲球焊方法、多芯片堆疊互連技術、厚膜懸臂鍵合新工藝,研制了壓電驅動膠液精確噴射閥。

    2)光電子耦合封裝:建立了光電子器件的耦合傳輸分析模型,提出了自動耦合封裝工藝和全局尋優搜索算法,自主研發了多個類型器件的自動化高性能耦合封裝裝備,打破了國際壟斷。

    成果廣泛應用于我國微電子光電子封裝企業,有力推動了行業技術發展。

    1、提出了微電子三維互連的引線鍵合新工藝與技術

    隨著微電子互連向高密度、超薄及凸點間距縮小發展,多芯片疊層和懸臂結構使三維封裝易產生鍵合過程失效、超低?。?/span><75μm)、大跨距(6-8mm)引線穩定性等問題,對引線互連技術提出了新挑戰。

    1)提出了引線弧線的圓心映射設計新方法,建立了復雜引線成形設計模型

    揭示了引線的成形機制和剛度規律,提出了基于圓心映射的劈刀路徑規劃與弧線設計新方法;建立了引線弧形的可變長連桿-彈簧設計模型,開發了設計軟件,實現了復雜形狀低弧大跨度 (折點≥5個、跨度>8000μm、弧高<120μm) 引線的快速、準確設計,打破了國外對弧線設計技術的壟斷。

    基于圓心映射的通用弧線設計方法      可變長連桿-彈簧(VLLS)分析設計模型

    針對三維封裝技術需求,開發了深腔鍵合新引線工藝;提出了三維疊層封裝的弧線形式,引入支撐點來形成折點,實現了超低超大跨度弧線成形。

            

     深腔鍵合引線成形過程的可視化設計        三維疊層封裝超低超大跨度n弧線

    2)提出了長引線低弧度高密度金絲球焊方法與多芯片堆疊封裝低弧互連技術

    提出了長引線低弧度高密度金絲球焊方法,完成了引腳100個、間距0.4mm、厚度1.4mm的窄間距引線鍵合;開發了多芯片堆疊三維封裝的低弧度壓焊技術,解決了低弧度窄間距引線易碰線難題,實現了3層以上堆疊芯片的引線互連。

    3)提出了厚膜懸臂鍵合新工藝,提高了鍵合強度

    針對Cu線懸臂鍵合過程沖擊大、難以實現高性能鍵合的問題,提出了增加芯片焊盤的Al層厚度、改善動力學特性、減小沖擊的工藝思路。將Al層厚度增加到2.8μm,撓度減小70%,提高了懸臂鍵合強度。

    芯片Al1.0μm的實時撓度(左),芯片Al2.8μm的實時撓度(中),剪切強度(右)

    4)提出了用于封裝的高速度高精度噴射點膠新技術

    揭示了噴射點膠機理,提出了通過放大噴針位移實現高速度高精度噴膠的技術思路,研制了壓電驅動的噴射點膠閥,點膠速度達300/秒,最小膠滴體積25納升,膠滴直徑誤差小于10%,部分性能達到國際領先水平。

                         壓電驅動噴射閥                               噴射閥控制電路                                   噴針位移曲線                  

    2、自主研發了同軸型光電子器件的高性能耦合封裝工藝與裝備

    光電子器件耦合封裝是將其功能結構與光纖耦合,制造高精度高保真的光信號傳輸通道。由于單模光纖芯徑只有8-10微米,因此其耦合對準是嚴峻的技術挑戰,需要達到亞微米精度,自動化耦合封裝技術與裝備被國外壟斷。

    1)建立了光電子器件耦合傳輸模型,確定了耦合精度閾值

    揭示了耦合界面的光波傳輸與畸變行為,建立了耦合模型,獲得了耦合誤差對光傳輸性能的影響規律,確定了橫向偏移量容差為±1μm。

     

    器件耦合的損耗規律

    2)研發了光電子器件的高性能自動耦合封裝工藝,提出了全局耦合搜索算法

    為了解放封裝工人的眼睛,自主研發了自動化耦合封裝工藝,提出了基于光學耦合模型的全局耦合搜索算法,開發了快速定量反饋控制系統,克服了人工對準封裝對操作員的依賴性,提高了性能一致性和生產效率。

    器件耦合過程及其光功率損耗變化

    3)自主研制了多種類型光電子器件的高性能自動化耦合封裝設備

    突破了自動耦合對準、在線檢測、激光焊接等關鍵技術,自主研制了EPON 、LD、PD等光電子器件的自動化耦合封裝設備,耦合對準精度達到0.3 mm,器件封裝后功率降<0.5dB,實現了高精度高性能耦合封裝,打破了國際壟斷。

      

     EPON耦合焊接設備       LD耦合焊接設備         PD耦合粘接設備

    3、成果影響與工業應用

    發表SCI論文152篇,獲得國家授權專利21項,出版專著4本,獲省部級一等獎2項、二等獎3項。

    自主研發的封裝技術與裝備打破了國際壟斷,成功應用于我國微電子光電子器件封裝制造行業,為行業技術發展做出了重要貢獻:

    1微電子三維封裝技術應用于我國中電科45所、華天科技等微電子封裝企業。壓電驅動噴射點膠閥應用于京東方、天馬等新一代顯示器制造龍頭企業。

    2光電子器件的自動化耦合封裝裝備廣泛應用于深圳九州、青島海信、武漢正源、育誠飛等10余家光電子企業,有力推動了行業的技術進步。



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