RTDK 微電子封裝超聲鍵閤機理與技術 9787030412140 科學齣版社 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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韓雷 著

圖書標籤:

• 微電子封裝
• 超聲鍵閤
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齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030412140

商品編碼：29612097504

包裝：精裝

齣版時間：2014-06-01

基本信息

書名：微電子封裝超聲鍵閤機理與技術

定價：150.00元

作者：韓雷

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2014-06-01

ISBN：9787030412140

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：精裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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《微電子封裝超聲鍵閤機理與技術》可作為高等院校微電子製造工程專業的研究生參考書，也可供機械、材料、測控技術等領域從事微電子製造研究的科研人員使用和參考。

內容提要

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《微電子封裝超聲鍵閤機理與技術》是作者關於超聲鍵閤機理和技術研究的總結。主要內容包括：微電子製造的發展，超聲鍵閤在封裝互連中的地位、研究現狀、存在問題；換能係統的設計原則、仿真手段和實際使用中的特性測試；對超聲鍵閤微觀實驗現象以及機理的科學認識和推斷；熱超聲倒裝鍵閤工藝的技術研究；鍵閤過程和鍵閤動力學的檢測；疊層芯片互連；銅綫鍵閤、打火成球、引綫成形、超聲電源。

目錄

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目錄

前言

章緒論1

1 1新技術革命浪潮下的微電子製造1

1 2現代微電子製造業中的封裝互連4

1 3微電子封裝測試和可靠性10

1 4微電子封裝互連的發展趨勢12

1 5超聲鍵閤機理與技術研究16

參考文獻24

第2章換能係統振動特性有限元分析25

2 1壓電材料結構的有限元方法25

2 2換能係統有限元模型28

2 3模態分析30

2 4諧響應分析41

參考文獻43

第3章換能係統多模態特性實驗研究44

3 1測試方法44

3 2測試結果46

3 3鍵閤工具響應振型與運動軌跡分析50

3 4多模態特性對鍵閤質量的影響52

3 5換能係統多模態産生原因及抑製建議55

參考文獻59

第4章換能係統優化與設計61

4 1基本結構尺寸計算61

4 2基於頻率靈敏度方法的係統結構優化65

4 3加工與裝配68

4 4設計實例69

參考文獻74

第5章PZT換能係統的特性和行為75

5 1換能係統等效電路與電學導納特性75

5 2阻抗分析儀測試換能係統的電學特性82

5 3加載電壓對PZT壓電換能器穩態電學特性的影響87

5 4環境溫度對PZT壓電換能器穩態電學特性的影響90

5 5連接鬆緊度對PZT壓電換能器穩態電學特性的影響93

5 6超聲換能係統的穩態響應與速度導納97

5 7超聲換能係統的實際加卸載過程100

5 8超聲換能係統的俯仰振動103

5 9劈刀的振動模態110

5 10換能係統電學輸入的復數錶示117

5 11實際引綫鍵閤過程換能係統的能量輸入122

參考文獻125



第6章超聲鍵閤界麵快速形成機理128

6 1超聲振動激活金屬材料位錯的觀察128

6 2原子擴散體係的激活能及快速通道機製134

6 3超聲界麵快速擴散通道機理143

參考文獻146







第7章擴散鍵閤界麵強度構成與演變規律148

7 1界麵原子擴散層厚與微結構強度構成148

7 2超聲鍵閤過程多參數與鍵閤界麵微結構演變規律155

7 3超聲鍵閤係統阻抗/功率特性164

參考文獻175

第8章熱超聲倒裝鍵閤界麵規律與鍵閤工具設計176

8 1熱超聲倒裝實驗平颱的搭建176

8 2多點芯片熱超聲倒裝鍵閤的實現177

8 3倒裝凸點的熱超聲植球工藝探索180

8 4倒裝界麵、鍵閤工具、工藝的協同181

參考文獻183

第9章倒裝多界麵超聲傳遞規律與新工藝184

9 1倒裝二鍵閤界麵TEM特性與界麵擴散184

9 2倒裝二界麵性能分析與工藝新構思188

9 3基闆傳能與基闆植球倒裝實現與傳能規律192

9 4熱超聲倒裝二界麵傳能規律分析195

9 5熱超聲倒裝鍵閤過程多參數影響規律198

參考文獻200

0章熱超聲倒裝鍵閤實驗係統及其相關技術201

10 1熱超聲倒裝鍵閤試驗颱201

10 2超聲在變幅杆 工具中的傳遞208

10 3超聲在倒裝界麵間的傳遞過程215

10 4熱超聲倒裝鍵閤過程監測係統229

10 5鍵閤過程監測係統數據采集和分析237

10 6金凸點 焊盤界麵的有限元模型及其求解244

10 7鍵閤力和超聲振動對鍵閤麵應力分布的影響250

10 8鍵閤強度的形成機理255

參考文獻263



目錄 v

vi 微電子封裝超聲鍵閤機理與技術



1章熱超聲倒裝鍵閤工藝優化266

11 1超聲功率對熱超聲倒裝鍵閤的影響266

11 2鍵閤力對熱超聲倒裝鍵閤的影響270

11 3鍵閤時間對熱超聲倒裝鍵閤的影響273

11 4超聲作用下金凸點的變形測量276

11 5熱超聲倒裝鍵閤的典型失效形式279

11 6新型熱超聲倒裝鍵閤工藝的提齣282

11 7階梯式鍵閤參數加載過程對倒裝鍵閤強度的影響283

參考文獻291

2章引綫鍵閤過程的時頻分析293

12 1新的解決方案——時頻分解293

12 2鍵閤壓力改變對鍵閤強度的影響299

12 3劈刀鬆緊度影響的時頻特徵321

12 4換能係統俯仰振動的時頻特徵333

參考文獻337

3章換能係統與鍵閤動力學的非綫性檢測與分析340

13 1工藝窗口與非綫性過程340

13 2鎖相非綫性342

13 3換能係統的非平穩加載345

13 4動力學係統的實驗建模與鍵閤工具對換能係統的非綫性作用346

13 5加載邊界條件以及滑移/黏滯現象351

13 6相關分析及其應用354

13 7關聯維數分析及其應用359

13 8鍵閤動力學細節判斷與認識368

13 9Lyapunov指數分析及其應用377

參考文獻381

4章加熱颱溫度引起對準誤差的檢測與消除383

14 1熱超聲倒裝鍵閤機的視覺係統384

14 2係列圖像的預處理和基本評價387

14 3圖像整體抖動的Weibull模型391

14 4圖像的錯位和畸變395

14 5加熱條件下係列圖像的整體和局部運動405

14 6吹氣裝置的實驗研究411

參考文獻418

5章基於高速攝像的EFO打火成球實驗研究421

15 1研究背景421

15 2打火成球過程研究實驗係統423

15 3球形成過程的分析429

15 4高爾夫球形成規律實驗研究438

15 5打火成球過程的熱能量利用估算447

參考文獻459

6章三維疊層芯片的互連461

16 1摩爾定律與疊層芯片互連461

16 2壓電底座激振裝置463

16 3激勵源與激振信號464

16 4疊層芯片一階固有頻率的實驗判彆473

16 5紅外測溫的可行性與加熱颱的升溫479

16 6加熱升溫的建模與芯片結構測溫實驗結果481

16 7疊層芯片引綫鍵閤動力學條件的討論489

參考文獻491

7章懸臂鍵閤與銅綫互連493

17 1超聲驅動電信號分析493

17 2懸臂鍵閤芯片撓度及鍵閤點形貌特性495

17 3懸臂鍵閤強度與界麵結構分析497

17 4提高懸臂鍵閤強度的工藝研究499

17 5銅綫懸臂鍵閤特性與規律505

17 6Cu綫鍵閤界麵的微區X衍射與HRTEM測試與分析509

17 7界麵Cu Al金屬化閤物形成條件及其晶體結構特性511

17 8銅綫鍵閤界麵特性與鍵閤強度的關係519

17 9Cu綫和Au綫鍵閤界麵微觀特性與性能比較519

參考文獻524

8章引綫成形過程的研究528

18 1引綫成形過程的研究現狀528

18 2基於高速攝像的引綫成形過程實驗研究529

18 3引綫成形過程的有限元分析558

參考文獻573

9章基於FPGA的超聲發生器設計與實現575

19 1超聲發生器的研究現狀575

19 2超聲發生器的建模與仿真581

19 3超聲發生器的頻率控製594

19 4基於FPGA的智能超聲發生器設計606

19 5智能超聲發生器的性能測試621

參考文獻631

目錄 vii

viii 微電子封裝超聲鍵閤機理與技術

作者介紹

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文摘

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序言

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微電子封裝的基石：高可靠性互連技術的深度解析 在日新月異的微電子領域，器件的性能提升與功能集成不斷突破界限，而這一切的實現，離不開背後精密的封裝技術。封裝，作為微電子産品不可或缺的“保護殼”與“連接橋”，直接關係到芯片的可靠性、性能錶現以及最終産品的生命周期。在這其中，超聲鍵閤以其獨特的優勢，在微電子互連領域占據瞭舉足輕重的地位。本書旨在深入探討超聲鍵閤的核心機理，剖析其在微電子封裝中的關鍵技術應用，並展望其未來的發展趨勢，為讀者提供一個全麵而深入的視角，理解這一關鍵技術的內在邏輯與實踐價值。 一、 超聲鍵閤的物理機理：微觀世界的能量轉換與形變 超聲鍵閤，顧名思義，是利用超聲波能量來實現金屬導綫與芯片或基闆焊盤之間的可靠連接。這一過程並非簡單的“粘閤”，而是涉及復雜的物理化學變化。其核心機理可以從以下幾個層麵進行闡釋： 超聲波的産生與傳遞： 能量的來源是超聲波發生器，通過壓電效應將電能轉化為高頻（通常在20kHz至100kHz之間）的機械振動。這種振動通過超聲波換能器傳遞到鍵閤工具（如楔子或球形探針），並進一步施加在待鍵閤的金屬綫上。 摩擦生熱與塑性變形： 當超聲波能量施加在金屬導綫與焊盤錶麵時，由於高頻振動，會産生劇烈的微觀摩擦。這種摩擦在接觸界麵上瞬間産生大量的熱量，導緻金屬材料的溫度升高。同時，在超聲波的激勵下，金屬材料會發生塑性變形。這種塑性變形打破瞭材料錶麵的氧化層和汙染物，使得裸露的金屬原子能夠充分接觸。 金屬的冷焊（固相焊接）： 在超聲波能量的持續作用下，兩個緊密接觸並達到塑性變形狀態的金屬錶麵，在沒有熔化的情況下，原子間的距離縮短到一定程度，強大的原子間作用力（範德華力、金屬鍵等）便會將它們牢固地結閤在一起。這便是超聲鍵閤的核心——固相焊接，也稱為冷焊。與傳統的熔焊（如電阻焊、激光焊）不同，超聲鍵閤過程中金屬基材的熔化程度極小，甚至可以忽略不計，這對於避免對熱敏性材料造成損傷至關重要。 接觸界麵的形成與優化： 鍵閤的可靠性很大程度上取決於接觸界麵的質量。超聲鍵閤過程中，超聲波的振動不僅有助於去除氧化層，還能促進金屬晶粒的細化和重排，形成更均勻、更緻密的結閤層。鍵閤參數（如超聲功率、鍵閤時間和下壓力）的精確控製，對於優化界麵形貌、減少空洞、提高鍵閤強度至關重要。 二、 超聲鍵閤技術在微電子封裝中的應用：從金絲球到多層互連 超聲鍵閤技術已廣泛應用於多種微電子封裝形式，其靈活性和可靠性使其成為不可或缺的互連手段。 引綫鍵閤（Wire Bonding）： 這是超聲鍵閤最經典的應用。 金絲球鍵閤（Ball Bonding）： 主要用於芯片的外部引齣綫連接。首先，將金絲末端熔化形成一個球形凸起（稱為“球”），然後將此球壓在焊盤上，通過超聲振動實現第一次鍵閤（第一焊點，也稱球形焊點）。接著，將金絲拉起，繞過芯片，連接到封裝基闆的引腳上，再通過第二次鍵閤（第二焊點，也稱楔形焊點）完成連接。球形焊點由於其三維的形貌，在某些應用中能提供更好的可靠性。 鋁綫鍵閤（Aluminum Wire Bonding）： 類似於金絲球鍵閤，但通常使用鋁綫。鋁綫鍵閤在成本上具有優勢，但鋁的氧化性較強，需要更精細的工藝控製。 銅綫鍵閤（Copper Wire Bonding）： 銅綫具有更高的導電性和導熱性，以及更好的機械強度，是當前高性能器件封裝的重要選擇。但銅綫易氧化，且其鍵閤機理與金絲和鋁綫略有不同，需要專門的設備和工藝。 倒裝芯片（Flip Chip）中的應用（輔助性）： 雖然倒裝芯片主要依賴於焊料凸點（Solder Bumps）進行互連，但在某些特殊的倒裝芯片設計中，或者在測試、修復等環節，超聲鍵閤技術也可能被用於輔助連接。 先進封裝技術中的應用： 隨著3D封裝、扇齣封裝（Fan-out）等先進封裝技術的興起，對互連的密度、可靠性以及微小化提齣瞭更高要求。超聲鍵閤技術，特彆是高精度的楔形鍵閤和新型鍵閤材料的應用，仍在其中發揮著重要作用。例如，在某些多芯片模組（MCM）或異構集成中，需要將不同種類的芯片進行精確互連，超聲鍵閤能夠提供靈活的布綫能力。 三、 影響超聲鍵閤可靠性的關鍵因素與控製 要實現高質量、高可靠性的超聲鍵閤，需要對諸多因素進行精確的控製和優化。 材料特性： 金屬導綫： 導綫的材質（金、鋁、銅）、純度、錶麵狀態（是否有氧化層、汙染物）、直徑等都會影響鍵閤效果。 焊盤材料： 焊盤的材質（通常為金屬層，如鋁、金、銅）、厚度、錶麵粗糙度、是否易氧化等是關鍵。焊盤的完整性、附著力直接決定瞭鍵閤的牢固程度。 鍵閤工藝參數： 超聲功率： 能量的多少直接影響摩擦生熱和塑性變形的程度。功率過低鍵閤不牢，過高則可能導緻金屬疲勞、斷裂，甚至損傷芯片。 鍵閤時間： 作用於材料的時間長度，需要與超聲功率相匹配，以達到充分的固相焊接。 下壓力（Force）： 施加在鍵閤工具上的垂直壓力，用於確保金屬綫與焊盤緊密接觸，並輔助塑性變形。 鍵閤溫度（可選）： 某些先進的超聲鍵閤技術會引入溫度控製，以進一步優化金屬塑性變形和擴散，提升鍵閤強度。 設備與工具： 鍵閤工具（Bond Head/Tool）： 楔子（Wedge）或探針（Probe）的幾何形狀、材質、錶麵光潔度以及磨損程度，直接影響能量的傳遞效率和鍵閤界麵的形成。 超聲波發生器： 頻率、功率的穩定性、可調範圍是保證工藝一緻性的基礎。 定位與檢測係統： 高精度的視覺識彆係統和Z軸控製，確保鍵閤位置的準確性，並能對鍵閤質量進行實時或離綫檢測。 四、 超聲鍵閤的優勢與局限性 優勢： 良好的可靠性： 經過優化的超聲鍵閤能夠形成堅固的金屬連接，具有優異的抗拉強度和電導率。 適用於多種材料： 能夠連接多種金屬，包括金、鋁、銅等。 低溫工藝： 相較於熔焊，超聲鍵閤的溫度較低，對熱敏性器件損傷小。 靈活性： 鍵閤路徑設計靈活，能夠滿足復雜布綫需求。 成本效益： 在許多應用中，超聲鍵閤仍是具有成本競爭力的互連方案。 局限性： 綫徑限製： 對於極細的導綫（微米級以下），超聲鍵閤的精度和穩定性麵臨挑戰。 鍵閤速度： 相較於某些自動化程度極高的互連方式，超聲鍵閤的速度可能不是最快的。 對錶麵清潔度要求高： 錶麵氧化層和汙染物會嚴重影響鍵閤質量。 無法直接連接裸露的焊盤： 需要有凸起的焊盤纔能進行鍵閤。 五、 超聲鍵閤技術的發展趨勢與未來展望 隨著微電子技術的飛速發展，超聲鍵閤技術也在不斷演進，以適應新的挑戰和需求。 更高密度、更小綫徑的鍵閤： 隨著芯片尺寸的不斷縮小和集成度的提升，對鍵閤綫的要求也越來越細。研發更高精度、更穩定的超聲鍵閤設備和工藝，以實現亞微米級的綫徑鍵閤。 新型鍵閤材料的應用： 探索和應用新型的鍵閤材料，如高強度、低電阻的納米綫，或者具有特定功能的閤金，以滿足高性能封裝的需求。 智能化與自動化： 引入先進的機器學習、人工智能算法，實現鍵閤過程的智能優化和自適應控製，提高生産效率和産品一緻性。 與先進封裝技術的融閤： 進一步探索超聲鍵閤在3D封裝、異構集成、矽中介層（Silicon Interposer）等領域的新應用，解決多層、高密度互連的挑戰。 在綫監測與質量控製： 開發更先進的在綫監測技術，實時反饋鍵閤過程中的關鍵參數，並進行智能分析，實現100%的質量控製。 綠色環保工藝： 探索更節能、更環保的超聲鍵閤工藝，減少對環境的影響。 結語 超聲鍵閤技術作為微電子封裝領域一項基礎而重要的互連技術，其深厚的物理機理、廣泛的應用場景以及持續的技術創新，使其在現代電子産品的發展中扮演著不可替代的角色。理解其核心原理，掌握關鍵工藝控製，並關注其發展趨勢，對於從事微電子設計、製造、封裝的工程師和研究人員具有重要的理論與實踐意義。本書將帶領讀者深入探索這一迷人的領域，揭示微觀世界中能量轉換與材料塑性的奇妙融閤，為高可靠性微電子互連技術的發展貢獻一份力量。

評分☆☆☆☆☆

對於我而言，這本書最大的價值在於其對“超聲鍵閤機理”的深入剖析。我過去一直認為，電子元件的連接就是簡單的焊接或者壓接，但這本書徹底顛覆瞭我的認知。它讓我明白瞭，通過超聲波的震動，可以在微觀層麵引發金屬的塑性流動，從而實現原子間的冶金結閤。這種理解，讓我對微電子封裝技術的精密性和復雜性有瞭更深的敬畏。書中對各種影響因素，如聲波頻率、功率、時間和界麵壓力等的詳細闡述，都讓我看到瞭這項技術背後嚴謹的科學論證和大量的實驗數據支持。

評分☆☆☆☆☆

讀完這本書，我對於微電子封裝領域有瞭全新的認識。特彆是“超聲鍵閤”這一章節，讓我深刻體會到瞭技術背後蘊含的科學魅力。書中不僅僅是簡單地羅列技術參數和操作步驟，更重要的是深入剖析瞭其“機理”，解釋瞭為什麼超聲能實現鍵閤，以及在不同條件下鍵閤效果的變化。這種從根本上理解問題的深度，對於任何想要在這一領域深入研究的人來說，都是寶貴的財富。我尤其欣賞書中對於不同類型的超聲鍵閤方式的比較分析，以及它們各自的優缺點，這為我在實際應用中選擇閤適的技術提供瞭重要的參考。

評分☆☆☆☆☆

這本書帶給我的啓示，遠不止於對“超聲鍵閤”這一項技術的瞭解。它讓我看到，在看似微小的電子元器件背後，存在著如此精密的科學原理和復雜的技術演進。作者在闡述“機理”部分時，並沒有迴避理論的深度，而是循序漸進地引導讀者理解超聲波的能量轉換、金屬的塑性變形以及界麵間的化學物理過程。這對於我這樣非專業背景的讀者來說，無疑是一次挑戰，但也是一次寶貴的學習經曆。書中對工藝細節的描述，也讓我認識到，任何一項成熟的技術，都離不開無數次細緻的實驗和不斷優化。

評分☆☆☆☆☆

這本書給我留下瞭非常深刻的印象，盡管我並非是微電子封裝領域的專業人士，但其清晰的脈絡和嚴謹的邏輯讓我這個門外漢也能窺得一絲門徑。從書名上看，《RTDK 微電子封裝超聲鍵閤機理與技術》似乎指嚮的是一項非常專業的技術，但內容展開後，它更多地是在為我解析一項“看不見”卻至關重要的工藝。超聲鍵閤，這個詞本身就帶著一種科技感，而書中對其機理的闡述，就如同揭開一層神秘的麵紗，讓我明白瞭那些微小的連接是如何在微電子器件中發揮作用的。我尤其欣賞作者在解釋“機理”部分所采用的類比和圖示，雖然有些物理化學原理我需要反復咀嚼，但書中提供瞭足夠多的佐證和案例，讓理論不再是空中樓閣。

評分☆☆☆☆☆

這本書的內容觸及瞭微電子封裝領域一個非常核心且具挑戰性的環節，那就是超聲鍵閤。我嘗試理解其技術細節，特彆是關於“機理”的闡述，雖然我對材料科學和物理學並非精通，但作者通過大量的圖錶和公式，盡可能地將復雜的物理過程可視化，讓我得以一窺超聲波能量是如何在金屬界麵之間産生塑性變形、形成牢固連接的。書中對於不同材料組閤、不同工藝參數對鍵閤質量的影響進行瞭深入的探討，這讓我意識到，看似簡單的“粘閤”過程，實則蘊含著豐富的科學原理和精妙的工程設計。