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

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韩雷 著

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• 科学出版社
• 9787030412140

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030412140

商品编码：29582353900

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

作者：韩雷

出版社：科学出版社

出版日期：2014-06-01

ISBN：9787030412140

字数：

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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

第1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

第10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



第11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

第12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

第13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

第14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

第15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

第16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

第17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

第18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

第19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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微纳器件精密制造的基石：先进键合技术探索 在飞速发展的电子信息时代，集成电路的性能提升与功能拓展，越来越依赖于微电子器件内部精密的互连与封装。这些微小的“桥梁”不仅决定着芯片的信号传输效率和可靠性，更是决定着整个电子产品性能和稳定性的关键。众多连接技术中，超声键合以其独特的非加热、低应力、高可靠性等优势，在微电子封装领域占据着举足轻重的地位，尤其是在高精度、异质材料连接以及对温度敏感的器件封装中，其应用前景尤为广阔。 本文旨在深入探讨微电子封装领域中，一种至关重要的连接技术——超声键合。我们将从其基本原理出发，循序渐进地解析其在微电子器件制造过程中的核心作用，并对其关键技术环节进行详尽的剖析，同时展望其未来的发展趋势与潜在的应用场景。 一、 超声键合的科学原理：微观世界的能量转化与形变 超声键合，顾名思义，是利用超声波能量来驱动金属材料在极低的温度和压力下实现牢固连接的一种键合技术。其核心原理在于将机械振动转化为热能和机械形变，促使接触表面原子间的金属键形成。 1. 超声波的引入与作用： 首先，超声波发生器将电能转化为高频机械振动（通常在20kHz至100kHz之间）。这种高频振动通过声学工具（如超声探头或声学触头）传递到被键合的金属材料表面。 2. 表面清洁与活化： 在键合过程中，超声振动能够有效地清除被键合金属表面因氧化、吸附物或其他杂质形成的绝缘层。这种“微动”使得金属表面产生微小的滑动和撕裂，暴露出新鲜、高活性的金属原子。 3. 塑性变形与界面扩散： 在恒定的垂直压力作用下，超声振动会引起金属材料发生局部塑性变形。这种形变使得原本不完全接触的表面区域产生更充分的贴合。随着接触面积的增大，在微观层面上，金属原子间的距离缩短，达到金属键形成的条件。在一些情况下，超声振动还可以促进界面处的原子扩散，进一步增强键合强度。 4. 温度场的形成（“准接触加热”）： 尽管超声键合被称为“非加热”技术，但局部区域的机械摩擦和塑性变形确实会产生一定的热量。然而，与传统的焊接或热压键合不同，这种热量是局部的、瞬时的，并且不会导致被键合材料整体温度的大幅升高。这种“准接触加热”效应，协同机械形变，共同促进了金属键的形成，而避免了因高温可能带来的材料退化或性能改变。 5. 键合的形成： 最终，通过超声波能量、垂直压力以及微观摩擦生热的共同作用，两块金属材料的表面原子相互靠近并形成牢固的金属键，从而实现可靠的键合。这个过程是在相对较低的温度和压力下完成的，这对于键合敏感材料或要求高密度的微电子器件尤为重要。 二、 超声键合在微电子封装中的关键应用：微小连接的宏伟工程 超声键合技术凭借其独特的优势，在微电子封装的各个环节都扮演着不可或缺的角色。 1. 引线键合（Wire Bonding）： 这是超声键合最经典的应用之一。在集成电路芯片的制造过程中，需要将芯片上的焊盘（pad）通过细小的金属导线（通常是金丝、铜丝或铝丝）连接到封装基板的引脚上，以便将芯片内部的信号传输到外部。超声键合是实现这一连接的关键技术，它能够以极高的精度和可靠性将金属导线的一端焊接到芯片焊盘上（第一点键合），另一端焊接到引脚上（第二点键合）。 金丝键合（Gold Wire Bonding）： 金具有优良的导电性、导热性和抗氧化性，是引线键合常用的材料。超声金丝键合技术能够实现高强度的金丝与芯片焊盘之间的连接，确保信号的稳定传输。 铜丝键合（Copper Wire Bonding）： 铜的导电性优于金，且成本较低，因此铜丝键合技术逐渐普及。然而，铜容易氧化，对键合过程的控制要求更高，超声键合的精确能量控制在此体现出优势。 铝丝键合（Aluminum Wire Bonding）： 铝丝键合成本最低，但其延展性和导电性相对较弱，且易与硅发生脆性合金化，对键合工艺要求极高。 2. 带材键合（Ribbon Bonding）： 相较于细丝，金属带材（如金带、铜带）具有更大的截面积，能够承载更大的电流，适用于功率器件的封装。超声带材键合技术利用超声能量将金属带材精确地连接到芯片或基板上，满足大电流传输的需求。 3. 倒装芯片（Flip-Chip Bonding）： 在倒装芯片技术中，芯片上的焊球（solder bump）或金属凸起（metal bump）直接与封装基板上的焊盘连接。虽然传统的倒装芯片多采用回流焊或热压键合，但对于某些特殊应用，如异质材料异构集成（heterogeneous integration），或者需要更精细连接的场合，超声辅助的倒装芯片技术也展现出其独特的优势，例如能够降低键合温度，减少对下方器件的影响。 4. 传感器与MEMS器件封装： 微电子机械系统（MEMS）器件通常尺寸微小，结构精巧，且对温度敏感。超声键合技术因其低应力和低温度特性，非常适合MEMS器件的封装，能够将敏感的传感器组件精确地连接起来，同时避免对其性能造成损害。 5. 异质材料连接： 在某些先进的封装应用中，需要将不同种类的金属材料进行连接，例如金与铜、铝与金等。由于不同金属之间的熔点、热膨胀系数差异较大，传统的键合方法可能难以实现可靠的连接。超声键合通过其独特的机械驱动方式，能够在较低温度下实现有效连接，减少了因热应力引起的界面失效风险。 三、 超声键合的关键技术环节：精度与可靠性的保障 为了实现高质量的超声键合，需要对多个关键技术环节进行精细控制。 1. 超声发生器与控制： 超声发生器是提供高频振动能量的源头。其频率、功率、持续时间等参数直接影响键合的质量。先进的超声发生器能够提供稳定且精确的功率输出，并可根据不同的键合材料和工艺要求进行细致的参数调节。 2. 超声换能器与声学工具： 超声换能器将电能转化为机械振动，并将其传递给声学工具（如探头、砧座）。声学工具的设计和材料选择至关重要，它需要能够有效地将超声能量传递到键合界面，并承受反复的振动和摩擦。 3. 垂直压力控制： 垂直压力是促使键合材料紧密接触并发生塑性变形的重要因素。过低的压力无法实现充分的接触和形变，而过高的压力则可能损坏芯片或键合材料。精确的压力控制系统能够根据工艺需求施加适宜的垂直力。 4. 键合温度控制（或无温度控制）： 如前所述，超声键合通常在室温或接近室温的条件下进行。然而，对于某些特殊的键合需求，也可能需要微量的温度辅助。关键在于精确控制温度，避免因过热引起材料性能的劣化。 5. 键合过程的监测与反馈： 为了保证每一颗键合点的质量，现代超声键合机配备了先进的监测系统。这包括对超声功耗、键合力、键合高度、甚至界面温度的实时监测。通过反馈机制，系统可以实时调整工艺参数，以应对材料表面的微小差异或环境变化，从而确保键合的一致性和可靠性。 6. 键合材料的表面处理： 尽管超声振动具有一定的清洁作用，但键合材料表面预先的清洁和钝化处理，仍然是获得高质量键合的重要前提。例如，对铝焊盘的表面进行适当的化学处理，可以减少氧化层的形成，提高键合的成功率。 7. 自动化与智能化： 随着微电子封装的密度不断提高，对键合的精度和效率要求也越来越高。全自动化的超声键合设备，结合先进的视觉识别系统、路径规划算法和机器学习技术，能够实现高效率、高精度的自动键合，极大地提高了生产力。 四、 未来发展趋势与展望：挑战与机遇并存 随着电子技术的不断发展，微电子封装正朝着更高密度、更高性能、更低成本、更小尺寸的方向迈进，超声键合技术也将面临新的挑战与机遇。 1. 更高精度与更小尺寸的键合： 随着芯片尺寸的不断缩小和集成度的提高，键合的精度要求将越来越高。未来，超声键合技术需要进一步提升其分辨率和定位精度，以适应更微小的焊盘和更细的导线。 2. 异质材料集成与多层键合： 在先进封装领域，将不同功能的芯片（如CPU、GPU、存储器、射频芯片等）集成到同一封装中是必然趋势。这意味着需要实现更多种类的异质材料之间的可靠键合。超声键合在这一领域具有巨大的潜力，可以探索更多不同金属组合的键合工艺。此外，多层键合技术，即在已有的键合层上进行新的键合，也将是未来发展的重要方向。 3. 更高可靠性与更长寿命的保障： 随着电子产品的应用场景日益广泛，对器件的可靠性和寿命提出了更高的要求。未来的超声键合技术需要更加注重键合界面的微观结构控制，减少界面缺陷，从而提高键合的长期可靠性，抵抗环境应力、温度循环等因素的影响。 4. 智能化与数字化： 借助人工智能和大数据技术，对超声键合过程进行更深入的理解和优化。通过对大量键合数据的学习，建立更精确的工艺模型，实现智能化的参数调优和故障诊断，进一步提升键合的效率和质量。 5. 绿色环保与可持续发展： 探索更环保的键合材料和工艺，例如使用更低毒性的溶剂或减少材料消耗。同时，优化能量利用效率，降低生产过程中的能耗，符合可持续发展的理念。 结语： 超声键合技术作为微电子封装领域的一项核心工艺，其独特的优势使其在连接微小、精密的电子器件方面发挥着不可替代的作用。从最初的引线键合，到如今在倒装芯片、MEMS封装以及异质材料集成等高端应用中的不断拓展，超声键合技术始终在技术创新的浪潮中不断演进。未来，随着电子技术的持续发展，对超声键合技术在精度、可靠性、智能化等方面的要求将更加严苛，这也将驱动着这项技术不断突破界限，为构建更先进、更强大的电子世界贡献力量。对超声键合机理的深入理解和对其关键技术的不断优化，将是推动微电子封装技术向前发展的关键动力之一。

评分☆☆☆☆☆

作为一名曾经从事过精密仪器制造的资深技师，我对机械加工和材料连接方面的技术都颇有心得。当我有幸翻阅这本书时，立刻就被其内容所吸引。它将超声波这一看似简单的物理现象，在微电子封装这一高度精密的领域里，应用得如此出神入化。书中对超声波能量的耦合、驻波的形成、以及其对材料表面产生塑性变形的微观机制的解读，让我对“如何用能量精确地实现原子尺度的连接”有了全新的认识。书中对于超声键合设备的结构、工作原理、以及关键部件的精密制造和校准进行了详尽的介绍，这对于我理解技术的实现基础非常有帮助。特别是对设备磨损、环境干扰等因素对键合质量的影响，以及如何通过工艺控制和维护来保证设备的高效稳定运行，都有着深刻的见解。这本书不仅仅是关于“键合”，更是关于“如何精确控制能量，实现可靠连接”的工程艺术。它让我看到了技术背后蕴含的匠心精神和对细节的极致追求。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是打开了新世界的大门！作为一个对微电子封装领域一直充满好奇但又感到门槛极高的读者，我一直在寻找一本能够系统性地介绍核心技术，并且足够深入浅出的读物。这本书恰好满足了我的需求。从第一页开始，我就被作者严谨的逻辑和清晰的阐述所吸引。它不仅仅是罗列一堆技术术语，而是从最基础的物理原理讲起，比如超声波的产生、传播以及与材料的相互作用，这些基础知识的铺垫让我对后续更复杂的键合过程有了直观的理解。接着，书中详细介绍了超声键合的各种工艺参数，如功率、时间、频率、压力等，以及它们如何影响键合的质量。让我印象深刻的是，作者并没有止步于理论，而是花了大量的篇幅来讲解实际应用中的关键点，比如不同材料组合下的键合挑战、失效模式分析以及如何通过优化工艺来提高良率。书中配以大量的图示和示意图，极大地帮助我理解抽象的原理，感觉就像在实验室里亲眼见证整个过程一样。即使是第一次接触这个领域，我也能跟上作者的思路，并且对超声键合这个看似神秘的技术有了全面而深刻的认识。这绝对是一本值得反复阅读和深入研究的宝藏书籍。

评分☆☆☆☆☆

我一直对科技的发展脉络充满兴趣，尤其是那些支撑现代电子产品核心技术的领域。这本书为我揭示了微电子封装中的一个关键环节——超声键合，其背后所蕴含的复杂科学原理和精湛工程技术。它让我了解到，我们每天使用的智能手机、电脑等设备，其内部精密的集成电路得以稳定运行，离不开这些看似不起眼的“连接”。书中对超声键合的起源、发展历程的梳理，让我看到了这项技术是如何在不断的技术革新中成长起来的。特别是对不同时期超声键合技术在材料选择、工艺优化、设备升级等方面所面临的挑战与突破的阐述，让我对整个行业的发展有了宏观的把握。书中还对超声键合与其它连接技术（如热压键合、激光焊接等）的比较分析，让我得以从更广阔的视角来理解其技术优势和应用局限性。这本书为我打开了一个了解现代电子产品“幕后英雄”的窗口，让我更加敬畏科技的进步和工程师的智慧。

评分☆☆☆☆☆

我是一位有着一定行业经验的工程师，在工作中经常会接触到微电子封装，但对于超声键合这一特定技术，我一直希望能找到一本能够提供更深层次理论指导和技术洞察的书籍。这本书无疑给了我巨大的惊喜。它在理论深度上做到了令人称赞的程度，对于超声波能量的传递、界面微观形变、金属塑性流动等核心机制的讲解，都达到了学术研究的水准。书中对各种键合模式（如球头键合、楔形键合）的力学模型和能量分析非常到位，这对于我理解不同工艺选择背后的科学原理，以及在遇到复杂失效问题时进行溯源分析，提供了强大的理论支撑。此外，书中还涵盖了超声键合在不同应用场景下的具体案例，比如在高密度互连、倒装芯片等前沿技术中的应用，这为我开拓思路，将理论知识转化为实际的工程解决方案提供了宝贵的参考。书中对最新研究动态和发展趋势的梳理也让我对行业的未来发展方向有了更清晰的认识。读完这本书，我感觉自己对超声键合的理解上升到了一个新的高度，能够更自信地应对工作中的技术难题，并积极探索新的工艺优化和技术创新。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，我是一名材料科学专业的学生，在选修微电子封装课程时，老师推荐了这本书。一开始，我抱着学习的心态去阅读，但很快就被书中内容的广度和深度所折服。它不仅仅是一本技术手册，更像是一本关于“如何解决微电子封装中的连接难题”的百科全书。书中对超声键合过程中涉及的多种材料，如金、铝、铜等，在超声作用下的力学和热学行为进行了详尽的分析，这对于我理解不同材料体系下的键合特性至关重要。特别是关于界面可靠性，书中从微观形貌、原子扩散、金属疲劳等多个维度进行了深入的探讨，并给出了相应的评估方法和改进策略。此外，书中对封装过程中可能出现的各种缺陷，如虚焊、冷焊、氧化层影响等，以及如何通过超声键合技术来规避或解决这些问题，都有着非常细致的描述。对于我这样正在进行相关研究的学生来说，这本书为我提供了丰富的文献检索线索和研究思路，很多看似难以解决的实验问题，都能在书中找到理论上的解释和实践上的指导。