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

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

韩雷 著

图书标签:

• 微电子封装
• 超声键合
• 键合机理
• 键合技术
• 半导体封装
• 材料科学
• 电子工程
• 科学出版社
• 9787030412140
• 工艺技术

店铺： 花晨月夕图书专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030412140

商品编码：29582377886

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：

页码：

版次：1

装帧：精装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

---

《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

---

《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

---

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

---

文摘

---

序言

---

微电子封装的精密加工：超声键合的科学与工程 引言 在日新月异的电子技术领域，微电子封装扮演着至关重要的角色。它如同精巧的“保护壳”与“桥梁”，将微小的集成电路（IC）芯片与外部世界连接起来，确保芯片的安全运行并实现功能。在这错综复杂的封装过程中，键合技术是连接芯片与基板、实现电气通路的关键环节。而超声键合，作为一种高效、可靠且对材料兼容性极佳的键合方式，在微电子封装领域占据着举足轻重的地位。它以其独特的物理原理和精密的工艺控制，为实现更高密度、更高性能的电子器件封装提供了强大的技术支撑。 超声键合的原理：能量转换与物质塑性变形的艺术 超声键合的核心在于利用高频的声波能量，在微小的键合界面产生瞬时的高温和高压，促使金属材料发生塑性变形，从而实现牢固可靠的连接。这一过程并非简单的“粘合”，而是一个涉及多物理场耦合的复杂工程。 首先，超声能量的产生是关键。超声发生器将电能转化为高频的机械振动，并通过换能器、声波导管（horn）等部件，将这种振动传递到键合工具（wedge）的末端。当键合工具以极高的频率（通常在20kHz至200kHz之间）与待键合的金属表面接触并施加垂直压力时，声波能量便开始在接触区域积聚。 其次，能量在键合界面的转化至关重要。高频振动在金属表面产生微小的相对滑动和摩擦。这种摩擦生热效应是超声键合初期升温的主要机制。同时，随着振动的持续，材料内部会产生应力，当应力超过材料的屈服强度时，就会发生塑性变形。键合工具的垂直压力进一步促进了这种塑性变形，将两层金属压合得更紧密。 最后，界面冶金键的形成是最终目标。在高温和高压的共同作用下，金属表面原有的氧化层和污染物被击破，裸露出的新鲜金属表面相互接触。塑性变形使得原子间的距离大大减小，克服了范德华力等吸引力，使得金属原子能够形成牢固的冶金键，从而实现强度的连接。这个过程类似于冷焊，但通过超声能量的引入，大大降低了对加热温度的要求，避免了对热敏材料的损伤。 超声键合的关键技术要素 要实现高质量的超声键合，需要精确控制一系列关键技术要素。每一个环节的微小偏差都可能导致键合强度、可靠性的下降，甚至连接失效。 1. 超声频率与功率： 不同的材料组合、不同的键合需求，需要选择合适的超声频率和功率。较高的频率通常能提供更精细的能量传递，适用于更小的键合区域；而较高的功率则能提供更强的能量，适用于需要更大形变量的键合。功率的调节直接影响键合温度和塑性变形的程度，需要根据实际情况进行优化。 2. 垂直压力： 垂直压力是促使材料塑性变形和形成冶金键的必要条件。压力过小，能量传递不足，界面变形不够，键合强度会受影响；压力过大，则可能损伤芯片、基板或键合线，甚至导致压溃。因此，需要根据材料的硬度、厚度以及键合区域的尺寸来精确设定压力。 3. 键合时间： 键合时间是指超声能量施加在键合界面上的持续时间。时间过短，能量积累不足，界面变形不充分，键合强度不够；时间过长，则可能导致过度加热，引发材料性能下降，或者在基板上留下过深的印痕。最佳键合时间是在保证键合强度的前提下，尽量缩短工艺时间，提高生产效率。 4. 键合工具的设计与磨损： 键合工具（如楔形键合头）的几何形状、材料和表面状态对键合质量至关重要。工具的设计影响着能量的聚焦和传递方式。其材料的硬度和耐磨性决定了其使用寿命，磨损的工具会影响能量的稳定输出和键合界面的形貌。 5. 键合界面的清洁度与表面状态： 键合界面的任何污染物（如油污、氧化层、灰尘）都会阻碍金属原子间的直接接触，削弱或阻止冶金键的形成。因此，在键合前对界面进行有效的清洁和准备至关重要，特别是对于氧化敏感的材料。 6. 材料的塑性变形能力： 不同金属材料具有不同的塑性变形能力。例如，金（Au）具有极好的延展性，易于发生塑性变形，非常适合超声键合。铝（Al）的塑性也较好，但其氧化层较厚，需要克服。铜（Cu）的塑性也较好，但在超声键合中可能存在表面氧化和扩散的问题。 超声键合在微电子封装中的应用 超声键合凭借其诸多优势，在现代微电子封装技术中得到了广泛的应用，尤其是在以下几个方面： 1. 引线键合（Wire Bonding）： 这是超声键合最经典的也是最广泛的应用。将金线、铝线或铜线的一端通过超声键合连接到芯片的焊盘（pad）上，另一端连接到封装基板的引脚上，从而实现芯片内部电路与外部电路的电气连接。这种方式成本低廉，工艺成熟，广泛应用于各类集成电路、分立器件的封装。 2. 带键合（Ribbon Bonding）： 与细金线键合类似，但使用扁平的金属带（如金带、铝带）进行键合。相比于细线，金属带具有更大的截面积，能够承载更大的电流，适用于功率器件和需要高电流密度的应用。 3. 倒装芯片（Flip-Chip Bonding）的辅助技术： 虽然倒装芯片主要依赖于焊球或铜柱的再流焊连接，但在某些特殊情况下，超声辅助的连接技术也被用于微小焊点或铜柱的辅助固定和增强。 4. MEMS器件的封装： 微机电系统（MEMS）器件通常结构精巧，对封装工艺的要求极高，需要低损伤、高可靠性的连接技术。超声键合能够有效地连接MEMS器件的微小金属触点，实现其电气互连，并保持其传感或驱动功能的完整性。 5. 集成电路的测试与失效分析： 在芯片测试和失效分析过程中，需要对芯片上的特定区域进行电信号的探测或临时连接。超声键合能够方便快捷地实现这些临时性的电连接，而不会对芯片造成永久性损伤。 超声键合的优势与局限性 优势： 低工艺温度： 超声键合主要依靠机械振动产生的摩擦热，其工艺温度远低于传统的热压焊或焊接，因此非常适用于封装对热敏感的材料，如塑料、聚合物以及某些敏感的半导体材料。 高连接强度与可靠性： 经过优化后的超声键合可以形成牢固的冶金键，提供优异的机械强度和电学性能，保证了器件的长期可靠性。 对表面氧化层具有一定的容忍度： 超声振动能够有效击破金属表面的氧化层和污染物，促进裸露金属的直接接触，这使得它在某些微弱氧化环境下仍然能够实现有效的键合。 工艺过程简单，易于实现自动化： 超声键合设备结构相对简单，易于集成到全自动化的生产线上，提高了生产效率和一致性。 材料适应性广： 适用于多种金属材料的键合，包括金、铝、铜、镍等，以及它们的合金。 局限性： 对键合界面形貌要求： 键合界面需要有一定的平整度，过度的粗糙度会影响能量的传递和键合效果。 对材料的塑性要求： 材料需要具备一定的塑性变形能力，否则难以形成有效的键合。 键合线（键合点）的尺寸限制： 虽然超声键合技术不断发展，但对于极微小的键合点，其精度和稳定性仍需进一步提升。 能量损耗与传递效率： 在复杂的封装结构中，超声能量的传递可能会存在损耗，影响远程键合的效果。 未来发展趋势 随着微电子器件朝着更高集成度、更小尺寸、更低功耗的方向发展，超声键合技术也面临着持续的挑战和发展机遇。未来的发展趋势可能包括： 更高频率与更精细的能量控制： 开发更高频率的超声发生器和更精密的键合工具，以实现更微小、更密集的键合区域。 多参数智能优化： 利用人工智能和机器学习技术，对超声功率、压力、时间等多个参数进行实时监测和智能优化，以适应不同材料和复杂界面，提高键合的一致性和鲁棒性。 新型材料的键合： 探索超声键合在新型导电材料（如碳纳米管、石墨烯）以及非金属材料（如陶瓷）之间的应用，拓展其应用范围。 无损键合技术的深化： 进一步研究如何最小化对被键合材料的损伤，特别是对于脆弱的MEMS器件和敏感的芯片。 与3D封装技术的融合： 探索超声键合在垂直互连、多芯片堆叠等3D封装技术中的应用，实现更高效、更高密度的三维集成。 结论 超声键合作为一种成熟而又充满活力的微电子封装关键技术，凭借其独特的物理原理、优异的性能和广泛的应用前景，在电子产业的发展中扮演着不可或缺的角色。从基础的原理剖析到关键技术的掌握，再到在实际应用中的不断创新，超声键合始终是推动微电子技术进步的重要力量。未来，随着新材料、新工艺和智能化技术的不断发展，超声键合必将在更广阔的领域展现其强大的生命力，为构建更先进、更强大的电子世界贡献力量。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是超声键合领域的百科全书！从基础理论到实际应用，讲解得面面俱到。开篇就对超声波在材料中的传播规律、能量衰减机制以及与材料相互作用的物理原理进行了深入剖析，让人对超声波这个“看不见的手”有了全新的认识。接着，作者详细阐述了超声波键合的微观机理，包括塑性变形、表面清洁、金属键的形成过程，甚至涉及到原子尺度的相互作用。每一个环节都配以清晰的示意图和理论推导，逻辑性极强，让人能一步步理解技术背后的科学支撑。 值得称赞的是，书中并没有止步于理论讲解，而是将理论与实际紧密结合。针对不同种类的微电子器件和封装材料（如金丝、铜线、铝线与硅、陶瓷、金属基板等），作者详细介绍了各种材料体系下的超声键合工艺参数优化，包括超声功率、键合时间、键合压力、超声频率等关键因素对键合质量的影响。书中还深入探讨了影响键合界面可靠性的各种因素，如氧化层、污染物、表面粗糙度等，并提出了有效的应对策略，例如前处理技术、优化键合工艺参数等。这些内容对于工程师和研究人员来说，无疑是宝贵的实践指导。

评分☆☆☆☆☆

我一直对微电子封装中的键合技术很感兴趣，但之前总觉得有些晦涩难懂。读了这本书之后，感觉豁然开朗！作者的写作风格非常平易近人，虽然内容很专业，但讲解却条理清晰，循序渐进。从最基础的超声波发生原理，到复杂的键合界面形成过程，每一个概念都被解释得明明白白。书中还穿插了一些历史性的介绍，回顾了超声键合技术的发展历程，让人能更深刻地理解这项技术是如何一步步演进至今的。 特别喜欢书中关于材料科学与超声键合相互作用的章节。作者深入浅出地介绍了不同金属材料（如金、铜、铝）在超声作用下的塑性流动行为、表面氧化物的去除机制，以及它们之间形成金属键合的微观过程。还详细分析了不同基底材料（如陶瓷、硅、金属）对键合过程的影响，包括热导率、弹性模量、表面能等参数如何影响键合质量。这些深入的材料层面分析，为理解和优化键合工艺提供了坚实的科学基础。

评分☆☆☆☆☆

这本书绝对是解决实际生产和研发难题的“锦囊妙计”。它不仅仅是理论的堆砌，而是充满了“干货”和“窍门”。在讨论超声键合技术在不同应用领域的实践时，书中以半导体封装、MEMS器件、LED封装、功率器件等为例，详细分析了在这些特定场景下，如何根据器件的特点和性能要求，选择合适的键合材料、键合工艺以及相应的设备。例如，针对高功率器件对散热和电性能的高要求，书中就探讨了如何优化铜线或铝线的键合，以降低接触电阻并保证热稳定性。 对于一些新兴的封装技术，比如三维集成封装，书中也进行了前瞻性的探讨，分析了超声键合在该领域的应用潜力和面临的挑战。作者还分享了关于质量控制和可靠性评估的实用方法，包括各种无损检测技术（如X-ray、超声波扫描）、力学性能测试（如拉力测试、剪切测试）以及加速寿命试验的设计和解读。这些内容对于确保最终产品的质量和可靠性至关重要，让读者在技术应用层面有了更宏观的把握。

评分☆☆☆☆☆

读这本书的过程，就像跟着一位经验丰富的老工程师进行现场教学。他会带着你一点点揭开超声键合技术的神秘面纱，让你明白每一个操作步骤背后的深层原因。书中不仅系统地介绍了超声键合机的各种类型，从传统的楔形键合、球形键合，到更先进的多点键合、阵列键合，还对每种机器的工作原理、结构特点、优缺点进行了细致的比对分析。特别是对于机器的关键部件，比如超声发生器、换能器、声学传输系统、夹具等，都进行了详尽的介绍，包括其设计理念、性能指标以及如何进行维护和故障排除。 更让人印象深刻的是，书中还分享了大量实际的工艺案例和典型问题的分析。比如，当遇到键合强度不足、虚焊、线材断裂、焊点塌陷等问题时，书中会提供详细的诊断思路和解决方案，往往能直击问题的核心。作者还结合大量的显微照片和力学测试数据，生动地展示了不同工艺参数和材料组合下的键合界面形貌，以及由此产生的力学性能差异。这对于读者理解和掌握如何通过调整工艺参数来提高键合质量，具有非常直接和实用的指导意义。

评分☆☆☆☆☆

对于任何想要深入了解超声键合技术的人来说，这本书都是必不可少的参考。书中不仅涵盖了基础理论和核心技术，更重要的是，它提供了大量实际操作中的宝贵经验和解决方案。作者对超声键合过程中的关键参数进行了细致的分析，并详细阐述了如何根据不同的材料组合和器件需求来优化这些参数，以达到最佳的键合效果。例如，在讨论金丝键合时，书中详细讲解了如何控制键合力和超声能量，以避免金丝断裂或过度变形，同时确保形成良好的键合界面。 此外，书中还对超声键合过程中可能出现的各种缺陷进行了深入的剖析，并提供了系统性的诊断和排除方法。从微观的界面形貌分析，到宏观的力学性能测试，作者都给出了详细的指导。这对于一线工程师和研发人员来说，能够极大地提高解决问题的效率。这本书的实用性和深度兼备，是超声键合领域的一本权威著作。