键合图_上_

四、应用实例
一、功率键合图的作用及优点
1 作用： 表示系统中的功率流程。在研究液
压系统的动态特性时，表示系统在各 种作用元（因素）的作用下，功率的 流向、汇集、分配和能量转换等。
2、优点
a 功率键合图对功率流描述上的模块化结构 与系统本身各部分物理结构及各种动态影响 因素之间具有直观而形象的一一对应关系。
有相等的电压值，而输入电流值等于输出
的电流值即在该节点上输入、输出电流的
代数和为零。
p2q2
p1q1
p
p3q3
p2 q2
p1 o p3
q1
q3
p1=p2=p3 q1-q2-q3=0
用o结点表示三通管路
b.1结点－相当于一个串联电路，在该节点上电流相等， 而上流的电压值等于下流的电压值加上该电
路中的电压损耗值，即电压的代数和为零。
<一>从功率键合图推导状态方程 1、确定状态变量和输入变量
功率键合图中，C元、I元有导数或积分关系，故取C 元的流变量f，I元的力变量e作为状态变量。
C作用元：
f
1 c
vdt
p
1 c
qdt
u
1 c
idt
1 X 位移 c
1 V 体积
c
1
Q c
电荷
I作用元：
v
1 I
Fdt
q
1 I
pdt
i
1 I
udt
1 V12 I阀 P12
F11
1 C弹
x12
P2
1 C管
v2
第三步：应用键合图的规则及其变量间的逻辑关系，将 各状态变量的一阶导数（相当于原来的自变量） 推导成储能元功率键上的因变量及输入变量的代 数或函数关系。

2.3 键合图的增广 （1）容性元件的因果关系
容性元件的因果关系有两种。
对于第一种因果关系，其静态关系在非线性情况下可以 写成：
ec(q)c(f(t)d)t
在线性情况下为： e 1 q 1 fdt
C0
C0
其中 C 0 为线性容度参数，由于此种因果关系，流为因，势
为果，故把由于此种因果关系称为容性元件的积分因果关系。
（1）阻性元件R
势变量 e(t ) 和流变量 f (t) 之间
存在某种静态关系的键合图元定义
e
R
为阻性元件。一通口阻性元件的符 f
号如右图所示。
阻性元件是耗能键合图元。电路中的电阻、机械系统中的
阻尼器、流体管道中的多孔赛等都可以用阻性元件表示。线性
阻性元件的特性方程是 e(t)R0f(t) ，其中，R 0 是线性阻抗， 由于线性元件的势与流成正比，故 为R常0 数。
电变量
名称
单位
电压u
伏特（V）
电流i 磁通链Ψ
电荷q 功率P=ui
安培（A） 韦伯（Wb） 库仑（C） 瓦特（W）
E(p) fdp E(Ψ)idΨ （磁能）
焦耳（J）
E(q) edq E(q)udq（电能）
焦耳（J）
表2.3液压变量与广义变量的对应关系
广义变量
势变量e 流（ 变量f
广义动量p 广义位移q
为便于计算机计算，对惯性元件与容性元件优先指定积分因 果关系。
2.3 键合图的增广
（3）阻性元件的因果关系
阻性元件的因果关系有两种情况，当流为因，势为果时， 函数关系式为：
对于非线性阻性元件 eR(f) ； 对于线性阻性元件 eR(f) 。
键合图符号为：

1. 良好的导电性（electrical conductivity）和导热性（thermal
conductivity） 。
2. 正的电阻温度系数。 绝大多数金属具有超导性，即在温度接近于绝对零度时电阻突然 下降，趋近于零。 3. 良好的塑性（plasticity）变形能力，金属材料的强度（strength）和 韧性好。 金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在受外力作用而发 生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。 4. 不透明并呈现特有的金属光泽 金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能。
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第一章 原子结构与键合
1.2 原子间的键合
结合键：使不同的原子、离子、分子结合在一起的结合力。 结合键(binding bond)分为两大类：
化学键（主价键、一次键）：通过外层轨道电子的转移或共
享，在相邻原子之间形成的强键。包括金属键、离子键、共价 键 。 键力由弱到强。
物理键（次价键、二次键）：在原子和分子间由由诱导或永
久电偶极子相互作用而产生的附键。包括范德华力、氢键。
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第一章 原子结构与键合
1.2.1 金属键(metallic bond) （链接）
自由电子—金属正离子间强烈的静电吸引力
特点：电子共有化，无饱和性，无方向性，形成低能量密堆 结构。
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第一章 原子结构与键合
金属的特性
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第一章 原子结构与键合 1.1.3 原子的电子结构 电子云(election atmosphere) ———

描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数表示
• 核外电子的排布规律

第一部分原子结构与键合教学课件
重点与难点
1、描述原子中电子的空间位置和能量的4个量子数。 2、核外电子排布遵循的原则。 3、元素性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之 间的关系。 4、原子间结合键分类及其特点。
三、原子的电子结构（重点掌握）
2）轨道角动量量子数li—给出电子在同一量子壳层所处的能级（电子亚层） 取值为0，1，2，…，n-1
范德瓦耳斯力
五、氢键
1、实质：氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露 的带正电荷的原子核将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥 2、特点： 1）具有方向性和饱和性； 2）键能介于化学键和范德瓦耳斯力之间。
小结
重要概念 分子、原子； 主量子数n、轨道角量子数li、磁量子数mi、自旋角动量量子数si； 能量最低原理、Pauli不相容原理、Hund规则； 元素、元素周期表、周期、族； 结合键、金属键、离子键、共价键、范德华力、氢键；
三、原子的电子结构（重点掌握）
2、核外电子的排布规律遵循的原则： 1）能量最低原理：电子排布总是尽可能使体系得能量最低
电子总是先占据能量最低的壳层，排满后再进入下一壳层 K→L→M→N 同一电子层，电子按照s→p→d→f→g 2）泡利不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子
主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子 3）洪德（Hund）定则： ①在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且 自旋方向相同； ②当电子排布为全充满、半充满或全空时，整个原子的能量最低。 举例：碳、氮、氧三元素原子的电子层排布
逐渐减弱。
3）价电子数：惰性元素、碱金属、过渡族金属
写出Fe2+：1s22s22p63s23p63d6

三、核外电子组态 在多电子的原子中核外电子的排布遵循如下三个原则： （1）能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低。电子总是先占据能量最低的壳层，填满后在依次进入能量较高的壳层。 即按照如下顺序：K→L→M→……。在同一壳层中按照 s、p、d、f 的顺序排列。 （2）Pauli不相容原理（Pauli Exclusion Principle）：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，即不可能有四个量子数都相同的两个原子。 （3）Hund 规则：在同一亚层中的各个能级中电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同（有例外）。
按照波动力学观点，电子和一切微观粒子都具有二象性，即既具有粒子性，又具有波动性。也就是说对于以一定速度 u（动量为 p）运动的粒子，可与一个波长为 λ 的物质波建立联系，联系二象性的基本方程是： (1-103) 其中，u 是粒子运动的速度，p 是粒子的动量，h 是普朗克常量。
由(1-103)式可以看出，如果通过改变外场而改变电子的动量，电子波的波长也就随之而变该式可以认为是一切有关原子结构和晶体性质的理论的基础。 图1-102 玻尔模型和波动力学模型比较 由于电子具有波动性，谈论电子在某一瞬时的准确位置就没有意义。我们只能问电子出现在某一位置的几率(即可能性），因为电子有可能出现在各个位置，只是出现在不同位置的几率不同。
第一章 原子结构与键合 (Atomic structure and interatomic bonding) 本章要讨论的主要问题是： 为什么原子能结合成固体？ 材料中存在哪几种键合方式？ 决定键合方式的主要因素有哪些？ 材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？
第一节 原子结构 一、经典模型和玻尔（Bohr）理论 经典的原子模型认为，对原子序数为 Z 的原子，是由带正电荷 +Ze 的原子核和 Z 个绕核旋转的电子组成。为了解释原子的稳定性和原子光谱(尖锐的线状光谱），玻尔对此经典模型作了两点重要的修正。

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与金丝相比，铜丝拥有一些更为优秀的特性，这使 其拥有替代金作为新型键和材料的可行性。
铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能 优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。
铜丝键和 COPPER
WIRE BONDING
MEANING
Period III
FEATURE OF
COPPER
②．机械性能优越 一般情况下,经过退火热处理
SITUATION
IV
BONDING
15
铜丝键和与其他键和对于BONDINGPAD的设计也会有所 差异，在焊盘的构造、大小、厚度方面的参数要求会有很大 不同。
铜丝键和 COPPER
WIRE BONDING
PRESENT PERIOD
SITUATION
IV
BONDING PAD
铜丝与焊盘间IMC的形 成比起其他的材料来说相 对较薄，而且生长的速度 会慢很多。比起Au要慢上 一个数量级之多。
WIRE BONDING
1.超微细铜线的拉制 目前,特别是拉制线径在l mil以下的超
微细丝,对拉线的断头率、表面质量和单轴 长度(重量)都有较高的要求,同时为了提高 生产率、扩大品种、增加技术经济效益,在 线材的拉线速度和头数的要求越来越高;为
TROUBLE PERIOD
I
键合铜丝的制备提出更为苛刻的要求。目 前,对于普通无氧铜来说,由于其存在大量晶 界和铸造缺陷,当线径达到0.025mm以下时,
铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能 优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。
铜丝键和 COPPER
WIRE BONDING
MEANING
Period III

1.3 历史和特点 1957年Bell实验室采用的器件封装技术,目前特 点如下: 已有适合批量生产的自动化机器, 键合参数可精密控制,导线机械性能重复性高 速度可达100-125ms/互连(两个焊接和一个导 线循环过程) 间距达50 um 而高度可低于 劈刀的改进解决了大多数的可靠性问题 根据特定的要求,出现了各种工具和材料可供 选择 已经形成非常成熟的体系
成都工业学院 微电子专业 10241 07 王倩
第一章 概论
1.1 简介 1.2 工艺方法
1.2.1 超 声焊接
1.2.2 热 压焊接
1.2.3 热
声第焊二接章 1.线3 材特点
2.1 纯金属 2.1.1
金丝 2.1.2
铝丝 2.1.3
铜丝
2.2 金属冶金系 2.2.1 Au-
Au系 2.2.2 Au-
4.1.2 焊盘产生弹坑 4.1.3 键合点开裂和翘起
4.1.3.1 开裂原因 4.1.4 键合点尾部不一致 4.1.5 键合点剥离 4.1.6 引线框架腐蚀
4.2 可靠ห้องสมุดไป่ตู้失效
第五章 清洗
4.2.1 IMC的形 成
5.1 概述 5.2 清洗方
法 4.2.1.1 原因
5.2.1
4.2.1.2 疲劳
空洞形成
等第离六子章体清应洗用
4.2.2 丝线弯曲紫外臭氧清洗
6.1 范围5.2.2 6.2 实例
4.2.3 键合点翘 第七章 未来发展
起
4.2.4 键合点腐
蚀
4.2.5 金属迁移
4.2.6 振动疲劳
第一章
1.1 简介
用金属丝将芯片的I/O端与对应的封装引脚或者基板上布线焊区互连,固相焊 接过程,采用加热、加压和超声能,破坏表面氧化层和污染,产生塑性变形,界面亲 密接触产生电子共享和原子扩散形成焊点,键合区的焊盘金属一般为Al或者Au等, 金属细丝是直径为几十到几百微米的Au、Al或者Si-Al丝。

上海大学材料学院， 施鹰
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电子的f 轨道形状
上海大学材料学院， 施鹰
核外电子的排布规律
能量最低原理：电子总是优先占据能量最低 的轨道使系统处于最低的能量状态。 泡利不相容原理:一个原子中不可能存在有4 个量子数完全相同的两个电子。（各壳层可 容纳的最大电子数为2n2） 洪德定则：在同一个亚层中，电子的排布尽 可能占据不同的能级，而且自旋方向相同
(Ionization Energy and Electron Affinity) 电离能： 从孤立原子中， 去除束缚最弱的电子 所需的能量。
电子亲合能： 原 子 接 受一 个 额 外的电子通常要释放 能量，所放能量即电 子亲合能。
上海大学材料学院， 施鹰
2.1.4 原子或分子之间的键合形式
化学键又称一次键。是指分子或晶体中两个或
第 二 章 材料的结构基础
（I）原子结构和键合
Atomic Structure and Interatomic Bonding
上海大学材料学院， 施鹰
材料的宏观结构状态
不同的宏 观性质
气态 液态 晶态
非晶态
上海大学材料学院， 施鹰
1
材料结构的基本内涵
材料的结构是材料性能的载体，决定材料 性质最为本质的内在因素。 材料中原子的排列方式决定了晶体的结构，排 列方式的变化导致了材料结构的变化； 材料的物理、化学性能与材料中原子的排列方 式有直接的对应关系。
H
Li
Be
Na Mg K Rb Cs Fr Ca Sr Ba Ra
Sc Y
Electropositive elements: Readily give up electrons to become + ions.

正如前而讨论过的那样，施加在负载上的力很容 易被理解为因，而负载随之产生的速度就必然是果。 这里还剩下要确定液压泵和液压缸的因果关系。 没有必要按元件在系统中出现的顺序来进行考虑—这 样会使我们的任务加重。让我们仅考虑元件的动作， 并决定比较明显的因果关系，而其余因果关系将从这 些决定中得出。图4.4所示系统不是一个恒压系统，泵 产生的压力取决于负载。因此压力是反作用，并可以 在图4.4(c)中确定流为因。泵轴所需要的扭矩也取决 于负载(若你愿意也可以说是取决于压力)，因此，扭 矩也是 一个反作用—一个结果变量，这就使电机与泵 的转速成为原因变量。用这种方法我们就完成了对系 统因果关系的确定。
功率口方块图可以用来构成系统的功率流示意图. 这只需象相邻元件本身连接那样，把那些方块连接起 来。图4.3是图4.1所示系统的功率流图，但在图4.3中 补充包括了一个控制阀和一个油箱，它们在系统中控 制或接受功率。功率口示意图提供了一种结构，从其 中可以推导出作为系统模型一台液压泵也可基本上看作是一个双口装置，这 两个口分别是驱动轴和排油口,但是，泵的内泄漏(壳 体内的泄漏)会影响到它的功率输出;从而也会影响系 统的动态响应。所以应在功率口结构中考虑内泄漏， 并将其作为第三个口，在该口上功率有损失，如图 4.2c第三栏中所示。 一个四通阀是一个四口装置。功率能从一个进油 口、两个控制油口和一个回油口流进和流出，如图 4.2d所示。 一根液压管道显然是一个双口元件，功率只能从 其两端流进或流出(图4.2e)。同样，一根传动轴也是 个双口装置(图4.2f)。
图 4.2
一些功率口的图形
在具体场合中，基本功率口的确定可以方便地扩 展到包括损失以及其他被认为影响系统动态响应的一 些因素。例如，一台感应电动机会因为转速差而损失 功率，应视为一个三口元件。它也会因为内部摩擦和 气流损失一部分的功率，从而可以看作是一个四口元 件(如图4.2a的第四栏)。同样，一台液压泵的n口符号 可以包括一个外围性的功率口以考虑摩擦损失（图 4.2c第四栏)。图4.2的第四栏中还考虑了其他装置的 一些功率损失。分析设计者不应强求使用最完备的功 率口形式，相反，他应当只考虑那些他认为会对具体 系统的动态响应有较大影响的功率流。通常应该寻求 适合于所要达到目的的最简单模型。

2.2 基本键合图元
(5)流源 S f
流源是有源键合元件，用来描
述环境对系统的流的作用。电路中
Sf
．
的电流源、机械系统中的速度源以
f
及流体动力系统中的定量液压泵皆
可用流源表示。
流源具有如下特点: ①流源的流与它的势无关，不随它所作用的系统不同而改变。 ②流源的的大小与方向决定与它所作用的系统。 ③当流源的势变量与流变量的乘积为正值时，流源起源的作用， 向系统输送功率；负值时则作为负载出现，从系统吸收功率。
（1）阻性元件R
势变量 e(t ) 和流变量 f (t) 之间
存在某种静态关系的键合图元定义
e
R
为阻性元件。一通口阻性元件的符 f
号如右图所示。
阻性元件是耗能键合图元。电路中的电阻、机械系统中的
阻尼器、流体管道中的多孔赛等都可以用阻性元件表示。线性
阻性元件的特性方程是 e(t)R0f(t) ，其中，R 0 是线性阻抗， 由于线性元件的势与流成正比，故 为R常0 数。
2.2.2二通口元件
二通口元件具有两个通口，在输入一侧通口处势与流的 乘积总是等于另一处势与流的乘积。
（1）变换器TF(MTF)
变换器用来描述系统能量传
递过程中势变量对势变量、流变
e1
量对流变量之间的变换关系。
f1
变换器的特性方程为： e2 me1
m ．
e2
． f2
F
mf2 f1
电力系统中的变压器、流体动力系统中的液压泵和液压缸、 机械系统中的齿轮减速器等都可用变换器表示。可调变压器、变 量泵及速比可调变速器皆可用可调变速器表示。
位移x
米（m）
角位移θ
弧度（rad）

特点：既没有方向性，也不具饱和性。（p145详）
NaCl 晶体
离子型化合物—由离子键形成的化合物。
碱金属和碱土金属（Be除外）的卤化物是典型的离子型化合物
22:07:35
13
离子键的特征
离子化合 物的性质
离子键 取决于 的强度
取决于
1.作用力的实质是静电引力
正、负离 子的性质
F

q1 q2 r2
22:07:35
6
1离91子6 年键德的国形科成学家 Kossel ( 科塞尔 ) 提出离子键理论 (以 NaCl 为例)
第一步 电子转移形成离子：
Na － e —— Na+，
Cl + e —— Cl －
相应的电子构型变化：
2s 2 2p 6 3s 1 —— 2s 2 2p 6 ， 3s 2 3p 5 —— 3s 2 3p 6
离子键中键的极性与元素电负性的关系
Relationship of ionic nature percent of single bond and the difference of electronegativity
xA-xB
ionic nature percent (%)
xA-xB
ionic nature percent (%)
半径增加。
Li + < Na + < K + < Rb + < Cs + F－ < Cl－ < Br－ < I－
b ) 同周期的主族元素，从左至右离子电荷数升高，最高价
离子半径减小
22:07:35 Na+ > Mg2+ > Al3+