微电子封装超声键合机理与技术 韩雷 9787030412140 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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韩雷 著

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• 韩雷
• 9787030412140

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030412140

商品编码：29524640049

包装：精装

出版时间：2014-06-01

基本信息

书名:微电子封装超声键合机理与技术

定价：150.00元

售价：123.0元,便宜27.0元,折扣82

作者:韩雷

出版社：科学出版社

出版日期：2014-06-01

ISBN：9787030412140

字数：

页码：

版次：1

装帧：精装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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《微电子封装超声键合机理与技术》可作为高等院校微电子制造工程专业的研究生参考书，也可供机械、材料、测控技术等领域从事微电子制造研究的科研人员使用和参考。

内容提要

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《微电子封装超声键合机理与技术》是作者关于超声键合机理和技术研究的总结。主要内容包括：微电子制造的发展，超声键合在封装互连中的地位、研究现状、存在问题；换能系统的设计原则、仿真手段和实际使用中的特性测试；对超声键合微观实验现象以及机理的科学认识和推断；热超声倒装键合工艺的技术研究；键合过程和键合动力学的检测；叠层芯片互连；铜线键合、打火成球、引线成形、超声电源。

目录

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目录

前言

章绪论1

1 1新技术革命浪潮下的微电子制造1

1 2现代微电子制造业中的封装互连4

1 3微电子封装测试和可靠性10

1 4微电子封装互连的发展趋势12

1 5超声键合机理与技术研究16

参考文献24

第2章换能系统振动特性有限元分析25

2 1压电材料结构的有限元方法25

2 2换能系统有限元模型28

2 3模态分析30

2 4谐响应分析41

参考文献43

第3章换能系统多模态特性实验研究44

3 1测试方法44

3 2测试结果46

3 3键合工具响应振型与运动轨迹分析50

3 4多模态特性对键合质量的影响52

3 5换能系统多模态产生原因及抑制建议55

参考文献59

第4章换能系统优化与设计61

4 1基本结构尺寸计算61

4 2基于频率灵敏度方法的系统结构优化65

4 3加工与装配68

4 4设计实例69

参考文献74

第5章PZT换能系统的特性和行为75

5 1换能系统等效电路与电学导纳特性75

5 2阻抗分析仪测试换能系统的电学特性82

5 3加载电压对PZT压电换能器稳态电学特性的影响87

5 4环境温度对PZT压电换能器稳态电学特性的影响90

5 5连接松紧度对PZT压电换能器稳态电学特性的影响93

5 6超声换能系统的稳态响应与速度导纳97

5 7超声换能系统的实际加卸载过程100

5 8超声换能系统的俯仰振动103

5 9劈刀的振动模态110

5 10换能系统电学输入的复数表示117

5 11实际引线键合过程换能系统的能量输入122

参考文献125



第6章超声键合界面快速形成机理128

6 1超声振动激活金属材料位错的观察128

6 2原子扩散体系的激活能及快速通道机制134

6 3超声界面快速扩散通道机理143

参考文献146







第7章扩散键合界面强度构成与演变规律148

7 1界面原子扩散层厚与微结构强度构成148

7 2超声键合过程多参数与键合界面微结构演变规律155

7 3超声键合系统阻抗/功率特性164

参考文献175

第8章热超声倒装键合界面规律与键合工具设计176

8 1热超声倒装实验平台的搭建176

8 2多点芯片热超声倒装键合的实现177

8 3倒装凸点的热超声植球工艺探索180

8 4倒装界面、键合工具、工艺的协同181

参考文献183

第9章倒装多界面超声传递规律与新工艺184

9 1倒装二键合界面TEM特性与界面扩散184

9 2倒装二界面性能分析与工艺新构思188

9 3基板传能与基板植球倒装实现与传能规律192

9 4热超声倒装二界面传能规律分析195

9 5热超声倒装键合过程多参数影响规律198

参考文献200

0章热超声倒装键合实验系统及其相关技术201

10 1热超声倒装键合试验台201

10 2超声在变幅杆 工具中的传递208

10 3超声在倒装界面间的传递过程215

10 4热超声倒装键合过程监测系统229

10 5键合过程监测系统数据采集和分析237

10 6金凸点 焊盘界面的有限元模型及其求解244

10 7键合力和超声振动对键合面应力分布的影响250

10 8键合强度的形成机理255

参考文献263



目录 v

vi 微电子封装超声键合机理与技术



1章热超声倒装键合工艺优化266

11 1超声功率对热超声倒装键合的影响266

11 2键合力对热超声倒装键合的影响270

11 3键合时间对热超声倒装键合的影响273

11 4超声作用下金凸点的变形测量276

11 5热超声倒装键合的典型失效形式279

11 6新型热超声倒装键合工艺的提出282

11 7阶梯式键合参数加载过程对倒装键合强度的影响283

参考文献291

2章引线键合过程的时频分析293

12 1新的解决方案——时频分解293

12 2键合压力改变对键合强度的影响299

12 3劈刀松紧度影响的时频特征321

12 4换能系统俯仰振动的时频特征333

参考文献337

3章换能系统与键合动力学的非线性检测与分析340

13 1工艺窗口与非线性过程340

13 2锁相非线性342

13 3换能系统的非平稳加载345

13 4动力学系统的实验建模与键合工具对换能系统的非线性作用346

13 5加载边界条件以及滑移/黏滞现象351

13 6相关分析及其应用354

13 7关联维数分析及其应用359

13 8键合动力学细节判断与认识368

13 9Lyapunov指数分析及其应用377

参考文献381

4章加热台温度引起对准误差的检测与消除383

14 1热超声倒装键合机的视觉系统384

14 2系列图像的预处理和基本评价387

14 3图像整体抖动的Weibull模型391

14 4图像的错位和畸变395

14 5加热条件下系列图像的整体和局部运动405

14 6吹气装置的实验研究411

参考文献418

5章基于高速摄像的EFO打火成球实验研究421

15 1研究背景421

15 2打火成球过程研究实验系统423

15 3球形成过程的分析429

15 4高尔夫球形成规律实验研究438

15 5打火成球过程的热能量利用估算447

参考文献459

6章三维叠层芯片的互连461

16 1摩尔定律与叠层芯片互连461

16 2压电底座激振装置463

16 3激励源与激振信号464

16 4叠层芯片一阶固有频率的实验判别473

16 5红外测温的可行性与加热台的升温479

16 6加热升温的建模与芯片结构测温实验结果481

16 7叠层芯片引线键合动力学条件的讨论489

参考文献491

7章悬臂键合与铜线互连493

17 1超声驱动电信号分析493

17 2悬臂键合芯片挠度及键合点形貌特性495

17 3悬臂键合强度与界面结构分析497

17 4提高悬臂键合强度的工艺研究499

17 5铜线悬臂键合特性与规律505

17 6Cu线键合界面的微区X衍射与HRTEM测试与分析509

17 7界面Cu Al金属化合物形成条件及其晶体结构特性511

17 8铜线键合界面特性与键合强度的关系519

17 9Cu线和Au线键合界面微观特性与性能比较519

参考文献524

8章引线成形过程的研究528

18 1引线成形过程的研究现状528

18 2基于高速摄像的引线成形过程实验研究529

18 3引线成形过程的有限元分析558

参考文献573

9章基于FPGA的超声发生器设计与实现575

19 1超声发生器的研究现状575

19 2超声发生器的建模与仿真581

19 3超声发生器的频率控制594

19 4基于FPGA的智能超声发生器设计606

19 5智能超声发生器的性能测试621

参考文献631

目录 vii

viii 微电子封装超声键合机理与技术

作者介绍

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文摘

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序言

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先进制造与精密传感的基石：微纳尺度连接技术探索 在飞速发展的现代科技浪潮中，微电子封装作为信息技术产业的核心环节，其重要性日益凸显。从智能手机到高性能计算，再到医疗电子和航空航天，无不依赖于精密、可靠的微电子器件。而微纳尺度下的互联技术，正是实现这些精密器件功能协同的关键所在。本书并非聚焦于某一种特定的封装技术，而是将视角拓宽，深入探讨微纳尺度连接领域中，那些构成技术根基、驱动创新的普适性原理与前沿动态。 一、 微纳尺度连接的物理本质：力、热、声的相互作用 微纳器件的连接，早已超越了宏观世界的简单铆接或焊接。在微米乃至纳米的尺度下，材料的表面效应、微观形貌、晶格结构等因素对连接性能的影响被极大地放大。本书将从基础物理原理出发，解析在微纳尺度下，连接过程中涉及的关键物理现象。 力学相互作用的精妙操控： 粘附力、范德华力、静电力等在微纳界面上的主导作用，与宏观世界的牛顿力学有着显著差异。我们将深入分析这些微观力的来源、影响因素及其在连接过程中的具体表现。例如，在金属键合中，键合力的精确控制是保证连接强度和可靠性的核心。材料的延展性、塑性变形能力，在微小形变量下的变化规律，都将得到细致的探讨。此外，应力集中、微裂纹的萌生与扩展等可能导致失效的力学行为，在微纳尺度下的演化机制也将被剖析，为设计更具鲁棒性的连接结构提供理论依据。 热学效应的精细考量： 无论是能量输入（如加热）还是能量耗散，热量在微纳连接过程中的传播和影响都不容忽视。书中将分析热传导、热辐射、热膨胀等热学现象在微纳界面上的特性。例如，在利用热能进行连接的工艺中，精确控制温度分布、避免局部过热或冷点，对于获得均匀、高质量的连接至关重要。材料的热膨胀系数差异，在温度变化时产生的热应力，可能导致器件的形变甚至开裂，这些都将在书中得到详细的解析。对热影响区的理解，有助于优化工艺参数，提高连接的可靠性。 声波能量的独特应用： 声波，特别是超声波，作为一种非接触或半接触的能量注入方式，在微纳连接领域展现出独特的优势。本书将深入剖析声波在材料中的传播特性，如声阻抗、声衰减、声学驻波等，以及它们如何影响材料的变形、激活表面反应、促进键合。我们将探讨声波能量如何有效地传递到微纳界面，诱发局部塑性变形，清洁表面，并最终实现高强度、低损伤的连接。对于声波引起的表面改性，如晶粒细化、去除氧化层等，也将进行深入阐述。 二、 关键微纳连接工艺的技术哲学与实现路径 基于上述物理原理，多种微纳连接技术应运而生。本书不会局限于某一特定工艺，而是从更宏观的视角，探讨不同技术流派的哲学思想、核心工艺流程、材料选择考量以及各自的优势与局限。 固相连接技术： 这一大类技术强调在不熔化基材的情况下实现连接，例如各种形式的压力焊、摩擦焊等。我们将分析在微纳尺度下，如何通过施加精确的压力和相对运动，克服表面氧化层和粗糙度，实现原子间的直接扩散和键合。对不同固相连接工艺（如冷焊、热压焊、搅拌摩擦焊等）在微纳尺度下的适用性、工艺参数优化以及可能遇到的挑战进行探讨。 液相连接技术： 焊接（包括钎焊）作为最经典的连接方式，在微纳领域依然占据重要地位。本书将聚焦于微纳焊接在材料选择、焊料合金设计、熔化与凝固行为、焊点质量控制等方面的特殊性。例如，如何选择低熔点、高强度、良好润湿性的焊料，如何控制加热速率和冷却速率以减少缺陷，以及如何评估微纳焊点的疲劳寿命和可靠性。 能量束辅助连接技术： 激光焊接、电子束焊接等技术，以其高能量密度、精确聚焦的能力，在微纳连接领域发挥着越来越重要的作用。本书将分析不同能量束的特性，如何通过精确控制能量输入，实现局部熔化、快速凝固，并获得高质量的连接。我们将探讨能量束与材料相互作用的物理过程，如吸收、反射、透射，以及等离子体的形成和演化。对工艺参数（如功率、扫描速度、焦点位置）的优化，以及如何避免热影响区的扩大和材料损伤，将是重点讨论的内容。 先进界面工程技术： 除了传统的连接方法，本书还将介绍一些新兴的界面工程技术，旨在从根本上改善连接界面的性能。这包括但不限于：表面预处理技术（如等离子体处理、化学蚀刻）、界面涂层技术（如金属化、合金化）、以及通过引入中间层来优化力学、热学或电学性能。对这些技术的原理、应用场景及其对连接可靠性的提升作用进行深入剖析。 三、 材料科学在微纳连接中的核心作用 微纳连接的成功与否，很大程度上取决于所用材料的特性。本书将从材料科学的角度，探讨在微纳尺度下，材料的选择、性能与连接工艺之间的紧密联系。 金属与合金的微观结构与连接行为： 不同金属（如铜、金、铝、镍等）在微纳尺度下的塑性变形能力、氧化倾向、扩散速率、以及与其他材料的相容性，都将影响其连接性能。本书将分析金属晶体结构、晶界、位错等微观结构特征如何影响键合强度和可靠性。对合金化在改善材料连接性能方面的作用进行深入探讨，如通过添加微量元素来降低熔点、提高强度、抑制脆性相的形成等。 陶瓷与半导体材料的特殊性： 陶瓷材料具有优异的耐高温、耐腐蚀性能，但其脆性较大，给连接带来挑战。书中将分析陶瓷材料的断裂韧性、界面兼容性以及如何通过特殊的连接技术（如钎焊、反应烧结）来实现可靠连接。对于半导体材料，除了材料本身的电学和热学性能，其表面状态、晶格匹配等因素对连接质量至关重要。本书将探讨如何处理半导体材料表面，避免引入缺陷，以及如何保证连接的电学互联性。 聚合物与复合材料的挑战与机遇： 随着柔性电子、可穿戴设备的发展，聚合物和复合材料在微纳连接中的应用日益广泛。本书将分析聚合物的粘弹性、玻璃化转变温度、热分解温度等特性如何影响连接过程。对如何实现聚合物与金属、陶瓷等异质材料之间的可靠连接，以及复合材料界面强度和热稳定性的提升策略进行探讨。 四、 连接可靠性评估与失效分析的科学方法 任何连接技术，最终都服务于实现长期可靠的器件工作。本书将重点介绍评估微纳连接可靠性的关键方法和失效分析的科学途径。 宏观与微观层面的性能表征： 从拉伸强度、剪切强度、剥离强度等宏观力学指标，到界面微观结构的形貌观察、成分分析、晶格结构表征，都将是本书讨论的内容。我们将介绍各种先进的表征手段，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、能量色散X射线光谱（EDX）等，在微纳连接分析中的应用。 加速寿命试验与环境适应性评估： 为了预测连接在实际使用条件下的寿命，加速寿命试验是必不可少的。本书将介绍各种加速应力（如温度循环、高低温储存、湿度试验、振动试验）的设计原理和试验方法。对连接在不同环境下的行为进行评估，识别潜在的失效模式。 失效机理的深度解析： 当连接发生失效时，准确地分析失效机理是改进工艺、提高可靠性的关键。本书将从微观层面，深入剖析各种常见的失效模式，如界面氧化、脆性断裂、疲劳失效、热应力开裂、电迁移等。通过结合材料科学、力学和工艺分析，为失效诊断和预防提供科学的指导。 五、 前沿趋势与未来展望 微纳尺度连接技术是一个充满活力和创新精神的领域。本书将对当前的研究热点和未来的发展趋势进行展望。 智能化与自动化连接： 随着人工智能和机器人技术的发展，未来的微纳连接将更加智能化和自动化。探讨如何利用机器视觉、机器学习等技术，实现连接过程的实时监控、参数自适应调整和缺陷的自动识别与修复。 新材料与新工艺的融合： 新型功能材料（如二维材料、纳米颗粒）在微纳连接中的应用，以及新兴的连接工艺（如原子层沉积连接、3D打印连接）的发展，将为解决现有挑战带来新的机遇。 多功能集成与高性能互联： 未来的微纳连接不仅要求高可靠性，还将承载更多的功能，如导电、导热、导光甚至传感功能。探讨如何通过巧妙的材料设计和工艺集成，实现高性能、多功能的微纳互联。 本书旨在为从事微电子封装、半导体制造、MEMS、先进材料、精密仪器等领域的科研人员、工程师以及相关专业的学生，提供一个全面、深入、前沿的微纳尺度连接技术知识体系。通过对基础原理的深刻理解，对关键技术的系统掌握，以及对未来趋势的前瞻性把握，共同推动微纳连接技术向更高精度、更高可靠性、更广阔的应用领域迈进。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出版信息显示它是由知名出版社发行，这从侧面印证了其内容的权威性和规范性。我个人非常看重专业书籍在“方法论”上的构建。对于一个系统性的技术领域，仅仅罗列现象是不够的，更需要提供一套完整的、可复制的研究与应用框架。我期待这本书能提供一个清晰的流程图，指导读者如何从一个新材料组合的键合需求出发，通过文献调研、理论分析、实验设计、参数优化，最终实现稳定可靠的量产工艺。这套框架应该包括对常见缺陷（如未键合、过键合、晶粒长大不均等）的详尽分类、成因分析以及对应的修正措施。如果书中能提供一套标准化的评估体系，比如对键合界面形貌的量化描述方法，或者对键合强度分布的统计学分析，那无疑会大大提升本书的实用价值。对于从事质量控制和可靠性验证的工程师来说，这种结构化的知识体系是他们进行风险评估和制定标准操作流程（SOP）的基石。

评分☆☆☆☆☆

我对于此类技术专著的期望值一直很高，特别是在“技术”层面，它不仅仅是理论的堆砌，更应该是解决实际工程挑战的工具箱。对于超声键合机而言，除了核心的键合过程，周边配套的监测和控制技术也同样重要。我预见书中会详细介绍先进的在线监测手段，比如声发射（AE）信号的实时采集与分析，如何通过识别特定频率的声波特征来判断键合是否成功、键合质量是否达到标准。这比传统的拉力测试要高效得多，因为它能在生产过程中立即反馈信息。再者，随着异构集成和三维封装的发展，键合的维度和复杂度都在增加，比如侧壁键合、倒装芯片的二次布线等。这本书如果能涵盖这些新兴应用场景下的特殊挑战和解决方案，那就更具前瞻性了。比如，如何应对大尺寸晶圆的均匀加热与键合一致性问题，或者如何处理具有不同热膨胀系数材料间的应力释放。一本优秀的参考书，应该能够预见到未来五到十年的技术发展趋势，并提前布局相关技术的理论基础。

评分☆☆☆☆☆

从读者的角度来看，一本好的技术书也需要具备良好的可读性和启发性。尽管主题极其专业，但如果能用清晰、逻辑严密的语言来组织内容，避免过度的行话堆砌，将复杂的概念用恰当的比喻或实例来阐释，那么它就能吸引更广泛的读者群体，包括高年级本科生、研究生以及希望跨界学习的工程师。我非常好奇作者是如何平衡深度与广度的，尤其是在讨论“机理”时，是否能巧妙地将深奥的固态物理学知识，转化为对键合过程直观的理解。此外，如果书中能够穿插一些行业内的经典案例或作者团队在解决重大技术难题时的“幕后故事”，那将极大地增加阅读的趣味性和代入感。一本真正卓越的技术著作，不仅是传授知识，更是在激发读者对该领域进行更深层次探索的兴趣和热情。我希望它能成为我书架上那种，每当遇到技术瓶颈时，都能随手翻开，并从中汲取灵感和方向的“宝典”。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名和作者信息让我对它产生了浓厚的兴趣，虽然我手头还没有机会翻阅实体书，但我可以想象其中蕴含的知识深度和技术前沿性。作为一名对微电子制造工艺领域有持续关注的业余爱好者，我特别期待看到关于“超声键合”这一关键环节的详尽论述。通常这类专业书籍会从最基础的物理原理出发，比如超声波在固态材料中的传播特性、能量转换效率的瓶颈，然后逐步深入到实际操作中的工艺窗口优化。我猜想作者韩雷教授必然会着墨于如何通过精确控制频率、振幅和接触力，来实现高质量的金属间连接，这对于提升芯片的可靠性和性能至关重要。特别是现代封装技术对微型化和高密度互联的要求越来越高，传统的焊接或引线键合方式已不能完全满足需求，因此，超声波辅助的键合技术无疑是未来发展的主流方向之一。我尤其希望书中能有大量图表和实验数据来支撑其理论模型的有效性，这样即便是初次接触的工程师也能快速掌握核心技术要点，并将其应用于实际的生产线上，有效指导故障分析和新工艺的开发工作。这本书如果能成为我们领域内的一本“圣经”级别的参考手册，那将是极大的贡献。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书脊和封面设计给我的第一印象是相当严谨和学术化，这通常意味着内容是经过长时间的科研积累和反复打磨的，而不是泛泛而谈的市场跟风之作。我揣测，在“机理”这个层面上，作者必定花费了大量的篇幅来剖析声场分布、界面润滑（或称之为摩擦行为）以及塑性变形的微观机制。毕竟，只有深刻理解了键合过程中材料界面的原子尺度变化，才能从根本上解决诸如键合强度不足、空洞缺陷形成等顽固问题。我设想其中会涉及到有限元分析（FEA）的应用，通过数值模拟来预测不同工艺参数组合下键合点的应力应变分布，这对于优化键合工具（如楔形夹头或碗形夹头）的设计至关重要。此外，针对不同材料体系，比如金丝、铜丝与基板之间的键合，其机理必然存在差异，我非常好奇书中是否能提供针对性的对比分析，例如，不同金属的杨氏模量和屈服强度如何影响超声波能量的有效传递和“打磨”效果。这本书的价值，将体现在它能否帮助一线研发人员实现从“经验操作”到“科学设计”的跨越。