微电子封装超声键合机理与技术 9787030412140 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：29624799982

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：112.5元,便宜37.5元,折扣75

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

《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

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

文摘

序言

先进微电子互连技术：原理、工艺与应用 随着信息技术的飞速发展，电子产品的性能不断提升，体积日益缩小，对电子元器件的封装技术提出了更高、更严苛的要求。在众多微电子互连技术中，超声键合以其独特的优势，在微细化、高密度、高可靠性封装领域扮演着越来越重要的角色。本文旨在系统阐述超声键合的微观机理，深入剖析各种超声键合工艺，并探讨其在不同应用场景下的技术挑战与解决方案，为读者提供一个全面、深入的视角，以理解和掌握这项先进的微电子互连技术。 第一章 微电子封装概述与互连技术发展趋势 在深入探讨超声键合之前，有必要回顾微电子封装的基本概念及其在电子产品中的关键作用。微电子封装是将芯片（IC）与外部电路连接并提供保护的工艺过程，其目标是实现可靠的电气连接、有效的散热、机械保护以及与外部环境的接口。从最初的穿孔引脚封装，到表面贴装技术（SMT），再到如今的BGA（球栅阵列）、CSP（芯片尺寸封装）、WFCSP（晶圆级芯片尺寸封装）乃至更先进的2.5D/3D封装，微电子封装技术的发展史，是一部不断追求更高集成度、更小体积、更优性能和更低成本的历史。 互连技术是微电子封装的核心环节。传统的引线键合（Wire Bonding）技术，包括金丝键合和铜丝键合，仍然是目前应用最广泛的互连技术之一。然而，随着芯片特征尺寸的不断缩小，引线键合面临着引线键合点密度限制、寄生参数增大、长期可靠性挑战等问题。因此，更为先进的互连技术应运而生，例如倒装芯片（Flip-Chip）技术，通过焊球或导电胶实现芯片与基板的直接互连，大大缩短了互连路径，提高了信号传输速度。 在这一背景下，超声键合作为一种非加热或低加热的固态连接技术，凭借其独特的优势，在特定应用领域展现出强大的生命力。与传统的热压键合（如热压焊接、回流焊）相比，超声键合在连接过程中产生的热量较低，这对于许多对热敏感的材料和器件至关重要。同时，超声键合可以在较低的温度下实现金属间的良好结合，从而避免了因高温引起的材料性能劣化或结构损伤。此外，超声键合还可以实现非常精细的键合区域，适用于微细焊盘的互连。 第二章 超声键合的微观机理 理解超声键合的微观机理是掌握和优化其工艺的关键。超声键合，顾名思义，是利用高频超声振动来促进金属材料之间的结合。其核心过程可以分解为以下几个关键阶段： 1. 表面清洗与活化： 在键合前，被连接的金属表面必须进行有效的清洗，去除氧化层、油污、颗粒等污染物。这些污染物会阻碍金属原子之间的直接接触，导致键合失效。超声振动本身具有一定的清洗作用，可以帮助去除一些疏松的氧化层。同时，结合其他化学清洗方法，可以确保金属表面处于清洁和活化的状态，暴露金属基体。 2. 塑性变形与表面形貌改变： 在超声振动的作用下，金属材料会发生塑性变形。键合工具（如键合针、键合夹）在施加一定压力（垂直载荷）的同时，产生高频的横向或纵向振动。这种交变应力导致键合区域的金属表面产生局部屈服和塑性流动。表面的微观凸起被压平，微观凹陷被填充，从而增加了金属之间的接触面积。 3. 界面氧化层的破坏与金属间扩散： 绝大多数金属在常温下都会形成一层薄薄的氧化层。超声振动引起的塑性变形，能够有效地破坏这些脆性的氧化层，使其碎裂并被挤出或嵌入到金属基体中。当金属表面充分接触后，即使在较低的温度下，超声振动也能加速金属原子之间的扩散。这种扩散作用是实现牢固键合的根本原因，它使得键合界面形成一定程度的冶金结合，而不仅仅是简单的物理接触。 4. 冷焊效应： 超声键合本质上是一种冷焊（Cold Welding）技术。冷焊是指在室温或接近室温的条件下，通过塑性变形使金属表面发生键合。其关键在于去除界面氧化层，获得高度清洁的金属表面，并使金属原子能够足够靠近以发生范德华力及金属键的形成。超声振动恰好提供了实现这一过程的能量和动力。 5. 超声能量的传递与损耗： 超声能量通过键合工具传递到待键合的工件上。能量在传递过程中会发生损耗，主要表现为热能和声能的耗散。键合过程的效率与超声频率、功率、振幅、键合时间和垂直载荷等参数密切相关。优化这些参数，可以在保证键合质量的同时，最大程度地提高效率并降低对工件的热影响。 第三章 主要的超声键合工艺技术 基于上述微观机理，发展出了多种成熟的超声键合工艺，以适应不同的应用需求。 1. 超声线键合（Ultrasonic Wire Bonding）： 这是超声键合最经典的应用之一。在这种工艺中，通常使用超细的金属丝（如金丝、铜丝、铝丝）作为连接材料，将芯片上的引线焊盘与外部基板或引线框架连接。 工作原理： 键合工具（称为“键合夹”）夹持金属丝，并将其放置在芯片的引线焊盘上方。同时，键合机对键合夹施加垂直载荷，并通过超声换能器产生高频振动。超声振动通过键合夹传递到金属丝和焊盘，引起材料的塑性变形，破坏氧化层，促进冷焊结合。 工艺特点： 低热输入： 键合过程中仅产生局部加热，对芯片和基板的热影响小，适用于热敏器件。 高可靠性： 形成牢固的金属间结合，具有良好的电气和机械性能。 设备自动化程度高： 广泛应用于大批量生产。 材料选择： 金丝键合是最早发展成熟的技术，具有优异的导电性和抗氧化性。铜丝键合由于成本较低且导电性接近金，逐渐成为主流。铝丝键合也因其低密度和易加工性而有应用。 应用领域： 绝大多数集成电路、LED、MEMS等器件的封装。 2. 超声带键合（Ultrasonic Ribbon Bonding）： 与线键合类似，但使用扁平的金属带（通常是金带或铝带）作为连接材料。 工作原理： 键合工具（类似于一个扁平的夹具）将金属带压在焊盘上，并施加超声振动和垂直载荷。金属带的宽大截面能够提供更大的键合面积，因此可以承受更大的电流。 工艺特点： 高电流承载能力： 适合于需要大电流传输的功率器件。 更好的散热性能： 较宽的连接带有利于散热。 抗应力能力强： 相比细线，金属带具有更好的机械强度。 应用领域： 功率器件、LED、汽车电子等。 3. 超声翻晶键合（Ultrasonic Flip-Chip Bonding）： 尽管翻晶通常采用焊球进行热压键合，但超声技术也可以用于翻晶键合，尤其是在某些特殊的材料组合或低成本工艺中。 工作原理： 芯片上的凸起焊料（如焊球）或导电胶，在超声振动和垂直载荷的作用下，与基板上的焊盘发生塑性变形和键合。 工艺特点： 无需预制焊球： 可直接在芯片上形成连接点。 低热影响： 适用于对温度敏感的材料。 可能适用于某些特殊材料： 如对传统焊接不兼容的材料。 应用领域： 某些特定的MEMS封装、传感器封装等。 4. 超声片键合（Ultrasonic Foil Bonding）： 使用薄的金属箔作为连接材料，将芯片或器件与基板连接。 工作原理： 类似线键合和带键合，将金属箔放置在待键合区域，通过超声振动和压力实现键合。 工艺特点： 可实现更高的键合密度。 适用于某些特殊的互连结构。 应用领域： 一些特定的传感器、成像器件等。 5. 超声颗粒键合（Ultrasonic Particle Bonding）： 利用微小的金属颗粒（如金颗粒、铜颗粒）作为连接介质，实现芯片与基板的互连。 工作原理： 将金属颗粒撒布在基板或芯片的焊盘上，然后施加超声振动和压力。金属颗粒在振动和压力作用下发生塑性变形，并与焊盘形成键合。 工艺特点： 低成本潜在优势。 可实现多点并行键合。 对颗粒大小和分布要求高。 应用领域： 尚处于发展和研究阶段，在某些低成本、大面积应用中有潜在前景。 第四章 超声键合的关键工艺参数与优化 要实现高质量、高可靠性的超声键合，需要对一系列工艺参数进行精确控制和优化。 1. 垂直载荷（Vertical Load）： 施加在键合工具上的垂直压力。它提供使材料发生塑性变形的驱动力，并促进表面氧化层的破坏。过低的载荷可能导致键合不牢固，过高的载荷则可能损坏芯片或基板。 2. 超声功率（Ultrasonic Power）： 决定了超声振动的能量。功率越大，振动的幅度或能量越大，越容易引起材料的塑性变形和键合。需要根据材料的硬度、厚度以及键合要求来选择合适的功率。 3. 振动频率（Vibration Frequency）： 通常在20kHz到60kHz之间。不同的频率会影响超声波在材料中的传播和吸收，进而影响键合效果。 4. 键合时间（Bond Time）： 超声振动作用于键合区域的时间。足够的时间才能让材料充分变形并形成冶金结合。时间过短会导致键合不足，时间过长则可能引起过度加热或材料疲劳。 5. 键合模式（Bonding Mode）： 包括“第一键”（First Bond，通常指芯片上的引线与焊盘的连接）和“第二键”（Second Bond，通常指引线与基板的连接）。不同位置的键合可能需要不同的参数设置。 6. 材料特性： 被键合材料的类型（如金、铜、铝）、表面状态（氧化层厚度、粗糙度）、硬度、延展性等，都会对键合过程产生显著影响。 7. 键合工具设计： 键合夹、键合针的设计（形状、材质、尺寸）对超声能量的传递效率和键合区域的形成至关重要。 第五章 超声键合的应用领域与发展趋势 超声键合技术凭借其独特的优势，在多个领域得到了广泛应用。 1. 传统半导体封装： 金丝、铜丝键合仍然是主流的互连方式，尤其适用于成本敏感、大批量生产的通用芯片。 2. 功率器件封装： 超声带键合和高电流承载能力的线键合，为IGBT、MOSFET等功率器件提供了可靠的互连方案。 3. LED封装： LED器件对热敏感，且需要良好的导电性和散热性能，超声键合在LED封装中有着重要的应用。 4. MEMS与传感器： 微机电器件（MEMS）和各种传感器通常体积小巧，且可能对热和机械应力敏感，超声键合提供了一种温和而可靠的互连方法。 5. 先进封装技术： 随着2.5D/3D封装技术的发展，超声键合在某些特定层级的互连中也可能发挥作用。 发展趋势： 更高密度、更细线径： 随着芯片尺寸的缩小，对键合线径的要求越来越细，键合点密度也越来越高，这对超声键合的精度和控制提出了更高要求。 更低的键合温度： 进一步降低键合过程的整体温度，以适应更多热敏材料和器件的需求。 自动化与智能化： 结合机器视觉、人工智能等技术，实现键合过程的更高自动化和智能化，提高生产效率和良率。 新材料的应用： 探索超声键合在新型导电材料（如纳米线、石墨烯）上的应用。 集成化与多功能化： 将超声键合与其他封装工艺集成，实现更复杂的互连结构和功能。 结论 超声键合作为一种成熟且重要的微电子互连技术，其核心在于利用超声振动诱导材料塑性变形，破坏界面氧化层，实现冷焊结合。从微观机理的深入理解，到各种工艺技术的精细掌握，再到关键参数的优化控制，每一个环节都对最终的键合质量和器件可靠性至关重要。随着电子产品集成化、小型化和高性能化的不断推进，超声键合技术将继续在微电子封装领域扮演不可或缺的角色，并在持续的技术创新中展现出更广阔的应用前景。

评分☆☆☆☆☆

坦率地说，这本书的阅读体验是充满挑战性的，它对读者的基础知识储备要求很高，更像是一本面向高年级博士生的专业参考书，而非入门读物。章节间的逻辑递进非常紧密，如果对半导体物理和固体力学的基础概念理解不够扎实，很容易在理解后续章节的复杂推导时感到吃力。不过，正是这种高强度的知识密度，保证了其内容的深度和权威性。我个人非常欣赏作者在引用前沿文献时的那种审慎态度，大量的实验数据支撑和严谨的论证过程，使得书中的每一个结论都具有极高的说服力。它不追求广度，而是力求在特定领域内达到极致的深度。这种“专精”的风格，使得这本书在同行中的地位难以撼动，它更像是实验室里一本被翻烂了的工具书，而不是书架上用来装饰的摆设。

评分☆☆☆☆☆

当我翻到后面涉及失效分析的部分时，才真正体会到这本书的价值之所在。它没有回避那些在实际生产中让人头疼的难题，而是将常见的键合失败模式进行了系统的分类和归因。从焊点冷焊、过度加热到超声能量分布不均导致的虚焊，每一种情况作者都提供了详尽的物理机制解释和对应的电学、力学诊断方法。我印象最深的是关于键合过程中的温度场模拟，那种多物理场耦合的分析，让我清楚地看到了在高速超声作用下，界面温度是如何瞬态变化的。这让我对自己之前遇到的一些间歇性故障有了豁然开朗的感觉。这本书的强大之处在于，它不是停留在现象描述层面，而是通过严谨的数学模型和仿真验证，构建了一个完整的“故障诊断-机理探究-预防策略”的知识体系。对于任何一个从事高可靠性电子产品研发的人来说，这本书都是一本不可或缺的“排雷指南”。

评分☆☆☆☆☆

这本封面设计朴实无华，却散发着一种深沉的学术气息的书籍，让我忍不住一探究竟。初翻几页，便被其中精密的理论架构所吸引。它仿佛是一把精密的尺子，丈量着微电子制造领域里那些看似微小却至关重要的环节。我特别关注到书中对材料科学与力学结合的探讨，那种将宏观的物理定律巧妙地映射到微米乃至纳米尺度上的描述，既严谨又富有洞察力。比如，书中关于超声波能量如何在焊点中有效传递并引发塑性形变的数学模型推导，看得我如痴如醉。它并非那种浮于表面的科普读物，而是深入到机理底层，试图揭示“为什么会成功”和“怎样才能更好”的本质问题。读完关于键合界面质量控制的那一章，我感觉自己对焊点的可靠性有了全新的理解，那种从原理到实践的闭环思考方式，对我目前的科研工作大有裨益。整体而言，这是一部需要沉下心来细细品味的专业著作，它教会的不仅仅是“如何操作”，更是“为何如此操作”的深层逻辑。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙述风格非常直接，几乎没有冗余的修饰语，直奔主题，这种高效的沟通方式深得我心。我是一名资深工程师，日常工作中对工具书的实用性要求极高。我发现这本书在介绍不同类型超声键合设备的结构特点时，对比分析得极其透彻，尤其对各种传感器和控制系统的参数设定给出了非常详尽的参考范围。我特别喜欢它对工艺窗口波动的敏感性分析，那种细致入微到小数点后几位的讨论，体现了作者对实际生产线上“良率”这一核心指标的深刻理解。相比于我之前看过的几本侧重于设备介绍的教材，这本书更像是附带了多年实践经验的“内部操作手册”。每一次翻阅，都能在某个不起眼的图表中发现新的优化点，这对于我们优化现有生产线，降低故障率起到了立竿见影的作用。它不是教人如何做简单的组装，而是教人如何成为一个能精确掌控过程的工艺专家。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧虽然普通，但内页的排版却非常清晰，图表的质量也相当高，这是我非常看重的一点。高质量的插图在理解微观结构和动态过程时起到了至关重要的作用。我特别留意了其中关于键合头振幅和频率精确控制的部分，作者详细阐述了如何通过优化换能器的设计来获得更平稳、更均匀的超声输出，这对于提升大尺寸芯片的键合均匀性至关重要。此外，书中对在线监测技术（In-situ Monitoring）的发展脉络梳理得非常到位，从最初的功率反馈到现在的声阻抗分析，清晰地勾勒出了该领域的技术演进路线图。这本书的价值不仅在于它提供了现有的技术知识，更在于它为我们指明了未来技术发展可能突破的方向，哪些环节的控制精度仍有提升空间。它为我们提供了一个坚实的理论基座，让我们能够在此之上，持续地进行创新和突破。