RTDK 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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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030412140

商品编码：29612097504

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

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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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微电子封装的基石：高可靠性互连技术的深度解析 在日新月异的微电子领域，器件的性能提升与功能集成不断突破界限，而这一切的实现，离不开背后精密的封装技术。封装，作为微电子产品不可或缺的“保护壳”与“连接桥”，直接关系到芯片的可靠性、性能表现以及最终产品的生命周期。在这其中，超声键合以其独特的优势，在微电子互连领域占据了举足轻重的地位。本书旨在深入探讨超声键合的核心机理，剖析其在微电子封装中的关键技术应用，并展望其未来的发展趋势，为读者提供一个全面而深入的视角，理解这一关键技术的内在逻辑与实践价值。 一、 超声键合的物理机理：微观世界的能量转换与形变 超声键合，顾名思义，是利用超声波能量来实现金属导线与芯片或基板焊盘之间的可靠连接。这一过程并非简单的“粘合”，而是涉及复杂的物理化学变化。其核心机理可以从以下几个层面进行阐释： 超声波的产生与传递： 能量的来源是超声波发生器，通过压电效应将电能转化为高频（通常在20kHz至100kHz之间）的机械振动。这种振动通过超声波换能器传递到键合工具（如楔子或球形探针），并进一步施加在待键合的金属线上。 摩擦生热与塑性变形： 当超声波能量施加在金属导线与焊盘表面时，由于高频振动，会产生剧烈的微观摩擦。这种摩擦在接触界面上瞬间产生大量的热量，导致金属材料的温度升高。同时，在超声波的激励下，金属材料会发生塑性变形。这种塑性变形打破了材料表面的氧化层和污染物，使得裸露的金属原子能够充分接触。 金属的冷焊（固相焊接）： 在超声波能量的持续作用下，两个紧密接触并达到塑性变形状态的金属表面，在没有熔化的情况下，原子间的距离缩短到一定程度，强大的原子间作用力（范德华力、金属键等）便会将它们牢固地结合在一起。这便是超声键合的核心——固相焊接，也称为冷焊。与传统的熔焊（如电阻焊、激光焊）不同，超声键合过程中金属基材的熔化程度极小，甚至可以忽略不计，这对于避免对热敏性材料造成损伤至关重要。 接触界面的形成与优化： 键合的可靠性很大程度上取决于接触界面的质量。超声键合过程中，超声波的振动不仅有助于去除氧化层，还能促进金属晶粒的细化和重排，形成更均匀、更致密的结合层。键合参数（如超声功率、键合时间和下压力）的精确控制，对于优化界面形貌、减少空洞、提高键合强度至关重要。 二、 超声键合技术在微电子封装中的应用：从金丝球到多层互连 超声键合技术已广泛应用于多种微电子封装形式，其灵活性和可靠性使其成为不可或缺的互连手段。 引线键合（Wire Bonding）： 这是超声键合最经典的应用。 金丝球键合（Ball Bonding）： 主要用于芯片的外部引出线连接。首先，将金丝末端熔化形成一个球形凸起（称为“球”），然后将此球压在焊盘上，通过超声振动实现第一次键合（第一焊点，也称球形焊点）。接着，将金丝拉起，绕过芯片，连接到封装基板的引脚上，再通过第二次键合（第二焊点，也称楔形焊点）完成连接。球形焊点由于其三维的形貌，在某些应用中能提供更好的可靠性。 铝线键合（Aluminum Wire Bonding）： 类似于金丝球键合，但通常使用铝线。铝线键合在成本上具有优势，但铝的氧化性较强，需要更精细的工艺控制。 铜线键合（Copper Wire Bonding）： 铜线具有更高的导电性和导热性，以及更好的机械强度，是当前高性能器件封装的重要选择。但铜线易氧化，且其键合机理与金丝和铝线略有不同，需要专门的设备和工艺。 倒装芯片（Flip Chip）中的应用（辅助性）： 虽然倒装芯片主要依赖于焊料凸点（Solder Bumps）进行互连，但在某些特殊的倒装芯片设计中，或者在测试、修复等环节，超声键合技术也可能被用于辅助连接。 先进封装技术中的应用： 随着3D封装、扇出封装（Fan-out）等先进封装技术的兴起，对互连的密度、可靠性以及微小化提出了更高要求。超声键合技术，特别是高精度的楔形键合和新型键合材料的应用，仍在其中发挥着重要作用。例如，在某些多芯片模组（MCM）或异构集成中，需要将不同种类的芯片进行精确互连，超声键合能够提供灵活的布线能力。 三、 影响超声键合可靠性的关键因素与控制 要实现高质量、高可靠性的超声键合，需要对诸多因素进行精确的控制和优化。 材料特性： 金属导线： 导线的材质（金、铝、铜）、纯度、表面状态（是否有氧化层、污染物）、直径等都会影响键合效果。 焊盘材料： 焊盘的材质（通常为金属层，如铝、金、铜）、厚度、表面粗糙度、是否易氧化等是关键。焊盘的完整性、附着力直接决定了键合的牢固程度。 键合工艺参数： 超声功率： 能量的多少直接影响摩擦生热和塑性变形的程度。功率过低键合不牢，过高则可能导致金属疲劳、断裂，甚至损伤芯片。 键合时间： 作用于材料的时间长度，需要与超声功率相匹配，以达到充分的固相焊接。 下压力（Force）： 施加在键合工具上的垂直压力，用于确保金属线与焊盘紧密接触，并辅助塑性变形。 键合温度（可选）： 某些先进的超声键合技术会引入温度控制，以进一步优化金属塑性变形和扩散，提升键合强度。 设备与工具： 键合工具（Bond Head/Tool）： 楔子（Wedge）或探针（Probe）的几何形状、材质、表面光洁度以及磨损程度，直接影响能量的传递效率和键合界面的形成。 超声波发生器： 频率、功率的稳定性、可调范围是保证工艺一致性的基础。 定位与检测系统： 高精度的视觉识别系统和Z轴控制，确保键合位置的准确性，并能对键合质量进行实时或离线检测。 四、 超声键合的优势与局限性 优势： 良好的可靠性： 经过优化的超声键合能够形成坚固的金属连接，具有优异的抗拉强度和电导率。 适用于多种材料： 能够连接多种金属，包括金、铝、铜等。 低温工艺： 相较于熔焊，超声键合的温度较低，对热敏性器件损伤小。 灵活性： 键合路径设计灵活，能够满足复杂布线需求。 成本效益： 在许多应用中，超声键合仍是具有成本竞争力的互连方案。 局限性： 线径限制： 对于极细的导线（微米级以下），超声键合的精度和稳定性面临挑战。 键合速度： 相较于某些自动化程度极高的互连方式，超声键合的速度可能不是最快的。 对表面清洁度要求高： 表面氧化层和污染物会严重影响键合质量。 无法直接连接裸露的焊盘： 需要有凸起的焊盘才能进行键合。 五、 超声键合技术的发展趋势与未来展望 随着微电子技术的飞速发展，超声键合技术也在不断演进，以适应新的挑战和需求。 更高密度、更小线径的键合： 随着芯片尺寸的不断缩小和集成度的提升，对键合线的要求也越来越细。研发更高精度、更稳定的超声键合设备和工艺，以实现亚微米级的线径键合。 新型键合材料的应用： 探索和应用新型的键合材料，如高强度、低电阻的纳米线，或者具有特定功能的合金，以满足高性能封装的需求。 智能化与自动化： 引入先进的机器学习、人工智能算法，实现键合过程的智能优化和自适应控制，提高生产效率和产品一致性。 与先进封装技术的融合： 进一步探索超声键合在3D封装、异构集成、硅中介层（Silicon Interposer）等领域的新应用，解决多层、高密度互连的挑战。 在线监测与质量控制： 开发更先进的在线监测技术，实时反馈键合过程中的关键参数，并进行智能分析，实现100%的质量控制。 绿色环保工艺： 探索更节能、更环保的超声键合工艺，减少对环境的影响。 结语 超声键合技术作为微电子封装领域一项基础而重要的互连技术，其深厚的物理机理、广泛的应用场景以及持续的技术创新，使其在现代电子产品的发展中扮演着不可替代的角色。理解其核心原理，掌握关键工艺控制，并关注其发展趋势，对于从事微电子设计、制造、封装的工程师和研究人员具有重要的理论与实践意义。本书将带领读者深入探索这一迷人的领域，揭示微观世界中能量转换与材料塑性的奇妙融合，为高可靠性微电子互连技术的发展贡献一份力量。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我对于微电子封装领域有了全新的认识。特别是“超声键合”这一章节，让我深刻体会到了技术背后蕴含的科学魅力。书中不仅仅是简单地罗列技术参数和操作步骤，更重要的是深入剖析了其“机理”，解释了为什么超声能实现键合，以及在不同条件下键合效果的变化。这种从根本上理解问题的深度，对于任何想要在这一领域深入研究的人来说，都是宝贵的财富。我尤其欣赏书中对于不同类型的超声键合方式的比较分析，以及它们各自的优缺点，这为我在实际应用中选择合适的技术提供了重要的参考。

评分☆☆☆☆☆

对于我而言，这本书最大的价值在于其对“超声键合机理”的深入剖析。我过去一直认为，电子元件的连接就是简单的焊接或者压接，但这本书彻底颠覆了我的认知。它让我明白了，通过超声波的震动，可以在微观层面引发金属的塑性流动，从而实现原子间的冶金结合。这种理解，让我对微电子封装技术的精密性和复杂性有了更深的敬畏。书中对各种影响因素，如声波频率、功率、时间和界面压力等的详细阐述，都让我看到了这项技术背后严谨的科学论证和大量的实验数据支持。

评分☆☆☆☆☆

这本书带给我的启示，远不止于对“超声键合”这一项技术的了解。它让我看到，在看似微小的电子元器件背后，存在着如此精密的科学原理和复杂的技术演进。作者在阐述“机理”部分时，并没有回避理论的深度，而是循序渐进地引导读者理解超声波的能量转换、金属的塑性变形以及界面间的化学物理过程。这对于我这样非专业背景的读者来说，无疑是一次挑战，但也是一次宝贵的学习经历。书中对工艺细节的描述，也让我认识到，任何一项成熟的技术，都离不开无数次细致的实验和不断优化。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容触及了微电子封装领域一个非常核心且具挑战性的环节，那就是超声键合。我尝试理解其技术细节，特别是关于“机理”的阐述，虽然我对材料科学和物理学并非精通，但作者通过大量的图表和公式，尽可能地将复杂的物理过程可视化，让我得以一窥超声波能量是如何在金属界面之间产生塑性变形、形成牢固连接的。书中对于不同材料组合、不同工艺参数对键合质量的影响进行了深入的探讨，这让我意识到，看似简单的“粘合”过程，实则蕴含着丰富的科学原理和精妙的工程设计。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我留下了非常深刻的印象，尽管我并非是微电子封装领域的专业人士，但其清晰的脉络和严谨的逻辑让我这个门外汉也能窥得一丝门径。从书名上看，《RTDK 微电子封装超声键合机理与技术》似乎指向的是一项非常专业的技术，但内容展开后，它更多地是在为我解析一项“看不见”却至关重要的工艺。超声键合，这个词本身就带着一种科技感，而书中对其机理的阐述，就如同揭开一层神秘的面纱，让我明白了那些微小的连接是如何在微电子器件中发挥作用的。我尤其欣赏作者在解释“机理”部分所采用的类比和图示，虽然有些物理化学原理我需要反复咀嚼，但书中提供了足够多的佐证和案例，让理论不再是空中楼阁。