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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