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第1部分 微连接基础3

1.固相键合工艺机理3

1. 1简介3

1.2固相键合原理5

1.3污染物的去除及原子间键合6

1.4接触表面的扩展7

1.5被污染区域的分离10

1.6键合过程中晶体结构重新排列13

1.7氧化物及污染物的热分解13

1.8界面结构的破碎15

1.9小结18

1.10参考文献19

2.软钎焊和硬钎焊机理21

2.1简介21

2.2软钎焊和硬钎焊的定义22

2.3软钎焊和硬钎焊中基本的冶金反应26

2.3. 1润湿26

2.3.2溶解29

2.4软钎焊和硬钎焊材料32

2.4.1软钎料32

2.4.2软钎剂33

2.4.3硬钎料34

2.4.4硬钎剂34

2.5软钎焊和硬钎焊过程35

2.5.1方法的分类35

2.5.2电子封装中的软钎焊36

2.5.3硬钎焊38

2.6综述和未来趋势39

2.7参考文献40

3.熔化微焊接基础42

3.1简介42

3.2基本因素42

3.3作用在熔池上的力45

3.3.1热膨胀／收缩与外部施加的机械力45

3.3. 2蒸发47

3.3.3表面张力48

3.3.4熔池稳定性49

3.3.5动量／惯性力51

3.3.6粘度54

3.3.7空气动力55

3.3.8电磁力55

3.3.9重力56

3.3.10各种力的小结57

3.4实际应用58

3.5使用熔化微连接存在的一些问题61

3.5.1装卸和固定61

3.5.2重复性工艺特征61

3.5.3零件安装放置62

3.5.4度量／检测62

3.5.5小尺寸范围下模拟的问题62

3.5.6材料问题62

3.6举例：激光、电弧和电阻焊接64

3.6.1激光点焊64

3.6.2激光缝焊66

3.6.3电弧缝焊66

3.6.4电弧点焊（持久电弧）67

3.6.5电阻焊67

3.7总结69

3.8参考文献70

4.固相键合模拟73

4.1简介73

4.2粘塑性变形模型及界面变形73

4.3热压键合74

4.3. 1 TAB内引线键合74

4.3.2丝球焊79

4.4热超声键合87

4.4.1金凸点键合模型88

4.4.2界面微摩擦滑移的描述88

4.4.3倒装焊过程的数值模拟90

4.5搭接电阻焊的数值模拟92

4.5.1模拟92

4.5.2数值模拟93

4.6结论94

4.7参考文献95

5.熔化微焊接模拟97

5.1简介97

5.2熔化微连接热过程的特点98

5.3热传导的模拟99

5.3.1控制方程99

5.3.2控制方程的求解99

5.3.3热源模型的定义101

5.3.4计算实例101

5.4对流换热的模拟104

5.4.1焊接熔池流体流动的驱动力105

5.4.2控制方程105

5.4.3边界条件107

5.4.4求解控制方程109

5.4.5计算实例109

5.5电阻微焊接过程的模拟115

5.5.1原理及特点115

5.5.2过程分析115

5.5.3接触电阻的模拟116

5.5.4网格划分和边界条件118

5.5.5计算实例119

5.6总结与未来趋势123

5.7参考文献124

6.传感、监测和控制127

6.1简介127

6.2定义和方法128

6.3焊接过程中的信号129

6.3.1力学信号130

6.3.2热学信号130

6.3.3几何结构信号130

6.4应用131

6.4.1在线监测131

6.4.2过程控制134

6.5未来发展趋势135

6.6参考文献136

7.组装工艺自动化及材料处理140

7.1引言140

7.2流水线工艺的组装设备141

7.3组装设备的材料处理143

7.3.1工艺模块布局143

7.3.2工艺元器件方向144

7.3.3图像对准技术144

7.3.4运动学设计和动态控制144

7.3.5应用工具的互换性145

7.3.6拾取放置工艺145

7.3.7薄芯片拾取工艺实例145

7.3.8受控放置工艺实例—热塑性载带键合工艺146

7.4组装工艺参数的控制147

7.4.1精确的时间147

7.4.2温度曲线147

7.4.3精确定位147

7.4.4力和压力148

7.4.5超声能量的应用148

7.4.6激光辐射的应用148

7.4.7还原气体的应用149

7.5实例：特定组装设备—用于带尾纤激光二极管同轴封装的激光对准点焊设备的设计149

7.5.1组装工艺分析149

7.5.2原型有源对准激光焊157

7.6未来发展趋势159

7.7参考文献160

第2部分 微连接和纳米连接工艺165

8.微电子引线键合技术165

8. 1简介165

8.2丝球焊技术166

8.2.1基本原理166

8.2.2超声引线键合衍生技术169

8.3工艺参数171

8.3. 1超声171

8.3.2键合压力172

8.3.3键合时间172

8.3.4键合温度173

8.4键合机理174

8.4.1超声热效应174

8.4.2塑性变形174

8.4.3微滑移磨损175

8.5质量控制178

8.5. 1拉力测试178

8.5.2剪切强度测试179

8.6键合设备和夹具179

8.6.1自动键合机179

8.6.2半自动键合机181

8.7引线键合技术发展方向181

8.7. 1 Cu线181

8.7.2低介电常数材料上的键合182

8.7.3表面绝缘金属线182

8.7.4细间距丝球键合184

8.8参考文献184

9.固相扩散键合189

9.1基本定义189

9.2固相扩散键合与其他连接方法的比较190

9.3主要键合参数和装置192

9.4固相扩散键合理论和模拟194

9.5克服表面氧化物问题的方法195

9.5.1获得足够的塑性变形195

9.5.2增加表面粗糙度的微区塑性变形195

9.5.3添加活性合金元素197

9.5.4非传统固相键合方法197

9.6液镓去除表面污染物197

9.7小结198

9.8参考文献199

10.纳米颗粒键合201

10.1引言201

10.2复合Ag纳米颗粒结构及热特性201

10. 2.1结构201

10. 2.2热特性202

10.3复合Ag纳米颗粒键合不同金属205

10.3.1键合强度和断口形貌205

10. 3.2键合机理207

10.4键合条件对Cu-Cu接头焊接性的影响208

10.4.1键合强度对接头强度的影响208

10.4.2微观组织和断面形貌209

10.4.3与富Pb钎焊接头的对比213

10. 5 Si芯片键合214

10.6小结和未来趋势215

10.7参考文献216

11.扩散软钎焊与硬钎焊217

11.1扩散钎焊介绍217

11.1.1发展历史217

11.1.2应用218

11.2扩散钎焊工艺的描述219

11.2.1优点与缺点220

11.2.2扩散钎焊的步骤221

11.2.3扩散钎焊的设备221

11.2.4扩散钎焊的参数222

11.3扩散软钎焊／硬钎焊过程机理223

11.3.1扩散钎焊的四个阶段223

11.3.2扩散钎焊的关键阶段226

11.3.3多元体系中的等温凝固226

11.3.4宽间隙工艺的变化227

11.3.5温度梯度TLP连接227

11.4接头性能评价228

11.4.1扩散钎焊动力学测试229

11.4.2扩散钎焊的金相组织230

11.4.3接头质量评定231

11.5扩散软钎焊和硬钎焊的模型232

11.5.1等温凝固过程的解析模型232

11.5.2数值模拟技术234

11.6小结及未来的发展趋势235

11.7参考文献235

12.激光软钎焊238

12.1引言238

12.2激光软钎焊综述238

12.3激光软钎焊原理239

12.3.1激光软钎焊过程控制240

12.3.2激光软钎焊热过程241

12.3.3焊点的形成243

12.3.4钎焊材料的溶解245

12.4激光无钎剂软钎焊247

12.5焊点的可靠性249

12.5. 1实例1：激光再流软钎焊249

12.5.2实例2：激光钎料球键合252

12.6小结和未来趋势256

12.7参考文献256

13.无钎剂软钎焊259

13.1软钎焊中的钎剂259

13.2无钎剂软钎焊的需求260

13.3无钎剂软钎焊工艺260

13.3.1气体的还原260

13.3.2酸性气体无钎剂软钎焊261

13.3.3等离子体辅助干燥软钎焊（PADS）261

13.3.4氩和氢等离子体环境下的无钎剂软钎焊262

13.3.5使用Ar和H2混合气体的等离子体清洗和钎焊263

13.3.6通过等离子体重熔制备无钎剂钎料球凸点266

13.3.7使用超声能量的无钎剂软钎焊270

13.3.8其他无钎剂键合工艺272

13.4总结272

13.5参考文献273

14.激光微焊接276

14.1简介276

14.2激光微焊接基础277

14.2.1激光束的传播与聚集277

14.2.2激光一材料的相互作用279

14.2.3激光一等离子体的相互作用280

14.2.4焊接模式的分类282

14.3激光微焊接的热模拟289

14.3.1复杂度289

14.3.2激光微焊接的热导焊模型291

14.3.3冶金效果292

14.4焊接缺陷293

14.4.1材料缺陷293

14.4.2焊接过程缺陷294

14.4.3焊接过程缺陷的形成与解决措施294

14.5激光微焊接技术301

14.5.1在线监测301

14.5.2自适应控制305

14.5.3微连接系统307

14.6微连接接头的评价309

14.6.1目视观察309

14.6.2金相观察309

14.6.3密封性检查309

14.6.4力学性能测试310

14.6.5其他检测技术310

14.7激光微焊接技术的应用312

14.7.1微连接激光器的工业基础312

14.7.2应用实例313

14.8新型激光微焊接技术317

14.8.1激光熔滴焊317

14.8.2激光尖峰焊319

14.8.3无级高精度离散单脉冲焊接320

14.8.4单模光纤激光微焊接金属箔322

14.8.5玻璃的超短脉冲熔化焊323

14.9未来趋势326

14.10公式附录326

14.11参考文献328

15.电子束微焊接334

15.1简介334

15.2相关技术335

15.2.1电子束的产生和传递335

15.2.2电子束焊接外围设备336

15.2.3由SEM改造微电子束焊机337

15.2.4电子束表征方法（法拉第笼）339

15.2.5快速电子束控制和多束流技术潜力340

15.2.6夹持和导向机构341

15.2.7波形发生器和示教编程343

15.2.8与工件的能量传递和穿孔效应345

15.2.9电子束与工件交互作用模拟（电子束穿透和能量分布计算）347

15.2.10能量转换与位置（表面与体热源）350

15.2.11微尺度零件中的热效应（FEM计算）352

15.3微焊接工艺354

15.3. 1工序354

15.3.2电子束的基本加工模式354

15.3.3微电子束焊工艺参数的选取356

15.3.4微电子束焊接参数选择总结357

15.3.5先进工艺变量（多束与叠加焊）357

15.3.6添加填充材料360

15.4连接和应用举例367

15.4.1金属367

15.4.2非金属372

15.5小结374

15.6参考文献374

16.电阻微焊接376

16.1引言376

16.2基础理论376

16.3接头形式379

16.3. 1板对板379

16.3.2交叉丝380

16.3.3丝对板383

16.4工艺规范：焊接参数385

16.4.1焊接电流385

16.4.2焊接时间385

16.4.3电极压力386

16.5工艺规范：表面388

16.5.1表面粗糙度388

16.5.2氧化膜388

16.5.3镀层389

16.6动态电阻和工艺控制391

16.7设备392

16.7.1电源392

16.7.2电极394

16.8小结和展望394

16.9参考文献395

17.粘结键合397

17.1引言397

17.2粘结键合技术397

17.2.1粘结键合的定义397

17.2.2粘结键合的性能和优势397

17.2.3粘附力和内聚力的原理398

17.2.4胶粘剂的分类400

17.2.5粘结接头的特性405

17.2.6微连接中的胶粘剂连接405

17.3粘结键合工艺：预处理406

17.3.1表面处理要求406

17.3.2表面预处理方法406

17.4点胶与混合407

17.4.1批量注入技术407

17.4.2选择性点胶408

17.4.3混合409

17.4.4胶粘剂的包装410

17.5胶粘剂的固化410

17.5.1辐射固化410

17.5.2热固化410

17.5.3湿气固化411

17.5.4固化加速过程411

17.6质量控制411

17.6.1粘结过程中的缺陷412

17.6.2测试方法412

17.7胶粘剂的选择原则和应用实例412

17.7.1选择合适的粘结技术412

17.7.2健康和安全413

17.8微电子互连和封装413

17.8. 1芯片键合414

17.8.2印制电路板上贴装元件414

17.8.3倒装芯片组装415

17.8.4密封胶和密封416

17.8.5板上芯片的圆顶封装416

17.8.6围坝填充416

17.8.7倒装芯片的下填充419

17.8.8非导电胶连接420

17.8.9各向同性导电胶连接420

17.8.10各向异性导电胶连接421

17.8.11导热胶422

17.9粘结键合的其他应用423

17.9.1无线射频识别器件（RFID）423

17.9.2卷绕式工艺423

17.9.3批量加工工艺423

17.9.4光电子互连与封装424

17.9.5医学应用424

17.10未来趋势424

17. 10.1 MEMS和MOEMS器件封装中热熔胶的应用方法425

17.10.2预置热熔胶的键合过程428

17.11标准信息428

17.11.1粘结标准428

17.11.2定义428

17.11.3应力测试429

17.11.4老化测试429

17.12参考文献430

18.纳米连接简介432

18.1引言432

18.2纳米连接方法433

18.2. 1电子束纳米连接433

18.2.2电阻纳米焊接445

18.2.3超声纳米焊接449

18.2.4激光纳米焊接453

18.3小结和未来趋势455

18.4参考文献456

第3部分 各种材料的微连接及其应用461

19.高温超导体连接461

19.1简介461

19.2超导材料461

19.3高温超导体的加工技术463

19.3. 1 BSCCO带材463

19.3.2 YBCO体材463

19.3.3 YBCO系涂敷带材464

19.4连接高温超导体的需求465

19.5 BSCCO体材的连接466

19.5.1熔焊466

19.5.2扩散键合466

19.6 BSCCO带材的钎焊468

19.7 BSCCO带材的扩散键合469

19.7.1无夹层的传统扩散键合469

19.7.2有夹层的传统扩散键合474

19.7.3无夹层的直接扩散键合475

19.7.4用前驱体的直接扩散键合477

19. 8 YBCO体材的连接479

19.8.1扩散键合479

19.8.2钎焊480

19.8.3其他连接工艺482

19.9小结和未来趋势483

19.10参考文献484

20.形状记忆合金连接489

20.1简介489

20.2形状记忆合金基础489

20. 3 SMAs的应用491

20. 4 SMAs的焊接和激光加工背景493

20.5镍钛诺的钎焊494

20.6激光微焊接495

20.7未来趋势496

20.8参考文献497

21.圆片键合499

21.1引言499

21.2直接圆片键合500

21.2.1背景500

21.2.2硅直接键合工艺501

21.2.3直接圆片键合机理502

21.3阳极圆片键合505

21.3.1简介505

21.3.2低温圆片阳极键合505

21.3.3阳极键合机理508

21.4通过中间层的圆片键合510

21.4.1通过硅化物的键合510

21.4.2通过硅酸盐实现键合510

21.4.3通过钎料实现键合511

21.4.4通过玻璃层实现键合511

21.4.5通过硅中间层实现玻璃与玻璃的阳极键合512

21.5异质材料键合517

21.6小结518

21.7参考文献519

22.塑料微焊接525

22.1引言525

22.2塑料焊接理论525

22.2.1塑料材料及其热效应525

22.2.2接头强度形成过程（蛇行扩散）527

22.2.3焊接过程的主要影响参数528

22.2.4聚合物焊接模拟529

22.3焊接工艺介绍530

22.3.1机械运动产热类530

22.3.2利用外部热源类531

22.3.3电磁加热类531

22.4塑料微焊接工艺531

22.5超声波焊532

22.5.1工艺过程描述532

22.5.2设备533

22.5.3工艺参数534

22.5.4优缺点534

22.5.5实例534

22.6激光焊接535

22.6. 1工艺过程描述535

22.6.2设备536

22.6.3工艺参数538

22.6.4激光微焊接540

22.6.5优缺点541

22.6.6实例541

22.7未来趋势543

22.8参考文献543

23.医疗元件和装置微连接545

23.1引言545

23.2材料选择546

23.3医疗元件和装置552

23.3.1血管装置553

23.3.2泵和传感器553

23.3.3人工耳蜗植入物554

23.3.4神经刺激器、起搏器和去纤颤器554

23.3.5放射性粒子植入555

23.4接头设计和工艺选择556

23.4.1丝-丝装配556

23.4.2丝-针装配557

23.4.3电子器件外壳的气密性封装558

23.4.4切形与打孔559

23.4.5环与环或管与管的装配560

23.4.6聚合物管与管的装配560

23.4.7聚合物管与固体针的装配561

23.4.8聚合物袋和外壳561

23.5测试与检验561

23.6小结与未来趋势562

23.7参考文献563

24.固体氧化物燃料电池的密封564

24.1简介564

24. 2 SOFC制作的相关材料565

24.2.1阴极材料565

24.2.2电解质材料566

24.2.3阳极材料566

24.2.4连接体材料566

24.3密封SOFC的不同方法567

24.3.1刚性密封567

24.3.2压缩密封576

24.3.3柔性密封578

24.4小结579

24.5参考文献579

25.块状纳米材料连接583

25.1简介583

25.2制造工艺584

25.2.1粉末冶金方法584

25.2.2电沉积585

25.2.3大塑性变形585

25.3微观组织的非平衡状态586

25.4块状纳米材料连接的尝试588

25.4.1电火花等离子烧结技术588

25.4.2利用纳米颗粒作为中间层的扩散键合技术590

25.4.3焊接工艺592

25.5金属玻璃592

25.6小结594

25.7参考文献594

26.陶瓷／金属连接597

26.1简介597

26.2典型陶瓷材料的特点597

26.2.1氧化铝陶瓷597

26.2.2氧化锆陶瓷598

26.2.3氮化铝陶瓷599

26.3陶瓷／金属连接的主要难点600

26.3.1陶瓷与金属的冶金不相容性601

26.3.2陶瓷与金属物理和力学性能的不匹配602

26.4陶瓷与金属的钎焊603

26.4.1陶瓷表面的金属化603

26.4.2采用活性钎料真空钎焊604

26.5真空扩散焊608

26.5.1连接温度的影响609

26.5.2保温时间的影响609

26.5.3压力的影响611

26.5.4化学反应的影响612

26.5.5连接气氛的影响612

26.5.6热膨胀系数不匹配的影响613

26.5.7中间层的影响613

26.5.8表面状态的影响613

26.5.9不同扩散连接参数下获得的接头性能614

26.6典型应用616

26.6.1用于植入式生物医学设备的氧化锆和Ti-6A1-4V钎焊接头616

26.6.2功率放大器组装件中金属化AIN陶瓷与金属的钎焊616

26.7小结和未来趋势616

26.8参考文献617

附录 常用术语英汉对照619