玻璃_硅多层键合平板激光诱导热裂切割技术研究.pdf

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1、博士学位论文玻璃/硅多层键合平板激光诱导热裂切割技术研究RESEARCHONDICINGOFGLASS/SILICONMULTILAYERBONDINGPLATEBASEDONLASERINDUCEDTHERMAL-CRACKPROPAGATION蔡烨程哈尔滨工业大学2018年4月国内图书分类号：TG665学校代码：10213国际图书分类号：621.9.048密级：公开工学博士学位论文玻璃/硅多层键合平板激光诱导热裂切割技术研究博士研究生：蔡烨程导师：王扬教授申请学位：工学博士学科：航空宇航制造工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年3月授予学位单位：哈尔滨

2、工业大学ClassifiedIndex:TG665U.D.C:621.9.048DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONDICINGOFGLASS/SILICONMULTILAYERBONDINGPLATEBASEDONLASERINDUCEDTHERMAL-CRACKPROPAGATIONCandidate：YechengCaiSupervisor：Prof.YangWangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：Aeron

3、auticsandAstronauticsManufacturingEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：March,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要玻璃/硅多层结构阳极键合圆片级封装被广泛用于太阳能、微电子机械系统与集成电路中半导体器件的制造。划片是器件后封装工艺中重要的制程之一，传统的超薄金刚石砂轮刀片切割法存在效率低、边缘缺陷、污染等问题，会降低器件的可靠性与良品率

4、；激光隐形切割与超短脉冲激光切割会在切缝边缘的再铸层与热影响区中引发大量缺陷，且工艺流程复杂、设备昂贵。激光诱导热裂切割技术通过连续移动的局部热源产生拉/压应力场诱导与控制裂纹连续扩展实现材料分离，是一种经济环保、高效高质的脆性材料切割加工方法，而目前少有关于激光诱导热裂切割玻璃/硅多层键合平板的研究。选取工业上常用的半导体激光作为热源，以双束激光诱导热裂切割机为试验平台，研究了针对玻璃/硅双层键合平板与玻璃/硅/玻璃三层键合平板的激光诱导热裂切割加工技术。对激光诱导热裂切割玻璃/硅多层键合平板的物理过程进行了理论分析，通过合理假设并综合考虑激光特性、材料参数、外

5、界条件等多重因素的影响，建立了体吸收与面吸收线性叠加的热源模型，确定了传热、热弹性与断裂问题的类型及其定解条件，建立了激光诱导热裂切割玻璃/硅多层键合平板的三维含裂纹有限元模型。通过测温试验与温度场仿真，验证了有限元模型的正确性。通过仿真与试验研究了玻璃/硅双层键合平板激光诱导热裂切割机理，以及玻璃/硅/玻璃三层键合平板双束激光诱导热裂切割机理，揭示了裂纹在多层键合平板中的同步扩展过程。针对双层平板，利用扩展有限元法仿真了温度场、热应力场分布及裂纹扩展状态，研究了裂纹稳定扩展阶段的断面表面形貌以及材料物理特性差异对裂纹扩展过程的影响，揭示了切出口裂纹轨迹偏移的机理

6、并研究了改善方法。针对三层平板，仿真了切入口、稳定扩展、切出口阶段的温度场与热应力场分布，分析了临界状态下裂纹前缘的J积分分布，研究了断面表面波纹线形态的变化规律。研究了双层与三层键合平板切割机理的异同。根据经典断裂力学的Irwin场解析解，计算了复合型裂纹尖端应力的理论角度分布曲线。根据各向异性热弹性力学与晶体物理学理论，计算了固定坐标系下不同类型的硅晶圆上沿不同方向角度切割时的单晶硅各向异性弹性系数。在此基础之上，通过仿真计算了热应力场分布，获得了不同类型的玻璃/硅键合平板上复合型裂纹应力强度因子比值KII/KI与KIII/KI随切割角度的分布规律。结合试验所

7、得的断面形貌，揭示了单晶硅各向异性对切割质量的影响。I哈尔滨工业大学工学博士学位论文通过仿真研究了工艺参数对温度场的影响规律，确定了工艺参数的合理取值范围。通过试验研究了工艺参数对起裂条件、切入切出口质量以及裂纹稳定扩展阶段断面质量的影响规律，获得了最优工艺参数。进行了速度为110mm/s的双层平板切割试验，获得了表面粗糙度达纳米级的切割断面。结合温度场、热应力场分布仿真结果与断面表面形貌，揭示了高速切割下裂纹的非同步扩展过程。进行了非对称切割研究，分析了双层平板非对称直线切割下的温度场-热应力场分布、应力强度因子、断面表面形貌，揭示了非对称切割轨迹偏移机理。进行

8、了玻璃/硅