目录 1.上拉电阻 2.下拉电阻 3.主要作用 电阻在电路中起限制电流的作用，而上拉电阻和下拉电阻是经常提到也是经常用到的电阻。在每个系统的设计中都用到了大量的上拉电阻和下拉电阻，这两者统称为“拉电阻”，最基本的作用是：将状态不确定的信号线通过一个电阻将其箝位至高电平(上拉)或低电平(下拉)，但是无论具体用法如何，这个基本的作用都是相同的，只是在不同应用场合中会对电阻的阻值要求有所不同，下面一起来了解它们吧： 1.上拉电阻 (1)概念：将一个不确定的信号，通过一个电阻与电源VCC相连，固定在高电平。 图1 上拉电阻 (2)原理：在上拉电阻所连接的导线上，如果外部组件未启用，上拉电阻则“微弱地”将输入电压信号“拉高”。当外部组件未连接时，对输入端来说，外部“看上去”就是高阻抗的。这时，通过上拉电阻可以将输入端口处的电压拉高到高电平。如果外部组件启用，它将取消上拉电阻所设置的高电平。通过这样，上拉电阻可以使引脚即使在未连接外部组件的时候也能保持确定的逻辑电平。 2.下拉电阻 概念：将一个不确定的信号，通过一个电阻与GND相连，固定在低电平。 图2 下拉电阻 3.主要作用 下拉电阻的主要作用是与上接电阻一起在电路驱动器关闭时给线路(节点)以一个固定的电平。 (1)提高电压准位： a)当TTL电路驱动COMS电路时，如果TTL电路输出的高电平低于COMS电路的最低高电平(一般为3.5V)， 这时就需要在TTL的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。 b)OC门电路必须加上拉电阻，以提高输出的高电平值。 (2)加大输出引脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。 (3)电阻匹配，抑制反射波干扰：长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，有效的抑制反射波干扰。 (4)N/Apin防静电、防干扰：在COMS芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻产生降低输入阻抗，提供泄荷通路。同时管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。 (5)预设空间状态/缺省电位：在一些CMOS输入端接上或下拉电阻是为了预设缺省电位。当你不用这些引脚的时候，这些输入端下拉接0或上拉接1。在I2C总线等总线上，空闲时的状态是由上下拉电阻获得 (6)提高芯片输入信号的噪声容限：输入端如果是高阻状态，或者高阻抗输入端处于悬空状态，此时需要加上拉或下拉，以免收到随机电平而影响电路工作。同样如果输出端处于被动状态，需要加上拉或下拉，如输出端仅仅是一个三极管的集电极。从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。 以上就是上拉电阻与下拉电阻的作用介绍了。对于上拉电阻和下拉电阻的选择，应结合开关管特性和下级电路的输入特性进行设定;考虑的因素包括：驱动能力与功耗的平衡，下级电路的驱动需求，高低电平的设定，频率特性等等。
CAN 协议即控制器局域网络 (Controller Area Network)简称，由研发和生产汽车电子产品著称的德国 BOSCH 公司开发，成为国际标准ISO11519以及ISO11898。
配网自动化系统一般由下列层次组成：配电主站、配电子站（常设在变电站内，可选配）、配电远方终端（FTU、DTU、TTU等）和通信网络。配电主站位于城市调度中心，配电子站部署于110kV/35kV变电站，子站负责与所辖区域DTU/TTU/FTU等电力终端设备通信，主站负责与各个子站之间通信。 1、开闭所终端设备（DTU） DTU一般安装在常规的开闭所（站）、户外小型开闭所、环网柜、小型变电站、箱式变电站等处，完成对开关设备的位置信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算，对开关进行分合闸操作，实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电，部分DTU还具备保护和备用电源自动投入的功能。 1.1 定义 DTU一般安装在常规的开闭所（站）、户外小型开闭所、环网柜、小型变电站、箱式变电站等处，完成对开关设备的位置信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算，对开关进行分合闸操作，实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电。 1.2 特点 1) 机箱结构采用标准4U半（全）机箱，增强型设计；2）采用后插拔接线方式，整体面板，全封闭设计；3） 率先采用基于CANBUS总线的智能插件方案，极大地减少了插件间接线，完全避免了插件接触不良的隐患，装置运行可靠性高；4）智能插件方案的采用，使机箱母板标准化，便于生产及现场维护；5）装置不同类插件在结构设计时保证不能互插，提高整体安全性；6）采用32位D浮点型SP，系统性能先进；7）采用16位A/D转换芯片，采样精度高； 8）采用大规模可编程逻辑芯片，减少外围电路，提高可靠性；9）大容量存储器设计，使得报文及事故录波完全现场需求；10）采用多层印制板电路和SMT表面贴装技术，装置的抗干扰性能强；11）测量回路精度软件自动校准，免调试，减小现场定检等维护时间；12）超强的电磁兼容能力，能适应恶劣的工作环境；13）功能强大的PC支持工具，具有完善灵活的分析软件，便于事故分析；14）简单可靠的保护处理系统（DSP）与成熟的实时多任务操作系统相结合，既保证功能可靠性，又能满足网络通讯、人机界面的实时性；15）支持RS232/RS485、Enthernet等多种通讯接口,内置Enthernet使得工程应用简单、可靠；16）支持IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104等标准规约；17）各装置独立的掉电保持时钟系统及带对时脉冲的GPS对时系统。 1.3 功能 遥测（1）交流电气测量Ia、Ib 、Ic、In、Uab、Ucb、Ua、Ub、Uc，Un等任意组合，一般Uab和Ucb分别取开关两侧，监视馈线两端的供电情况。（2）两表法或三表法，软件计算出P、Q、Pa、Pb、Pc、f、cos∮等，根据主站需要上传；（3）保护Ia、Ic的记录上传；（4）直流模拟量：两路，电池电压、温度等。遥信 （1）开关状态信号， SOE；（2）开关储能信号、操作电源；（3）压力信号等；（4）电池低电压告警；（5）保护动作和异常信号；（6）其他状态信号。遥控（1）开关的分合，失电后可进行2次以上分合操作；（2）电池的维护；（3）保护信号远方复归；（4）其他遥控。数据传输功能能与上级站进行通信，将采集和处理信息向上发送并接受上级站的控制命令。和上级的校时。其他终端的信息向上转发。电能量信息向上转发。主动上传事故信息（可选功能）。具有当地维护通信接口。通信规约：支持DL/T 634.5101-2002（IEC60870-5-101）、DL/T634.5104-2002（IEC60870-5-104）、DL/T 451-91循环式远动规约、DNP3.0、SC1801、MODBUS等多种通信规约，并可按需要进行扩充。通信接口：RS-232/485、工业以太网、CAN。通信信道：可支持光纤、载波、无线扩频、无线数传电台、CDMA、GPRS以及ADSL等多种通讯形式，由用户任选。故障识别、隔离隔离恢复供电及保护具有速断、延时过电流（复合低电压）保护、重合闸功能 ，根据馈线自动化方案选配。监测故障电流，记录过电流时间、过电流最大值，上报配电子站、配电主站。配电子站、配电主站根据各开关DTU上报过电流故障信息和开关跳闸信息，按照配电网变结构耗散拓扑模型，进行故障区域判断，指出故障区域，生成故障隔离命令序列和非故障区域恢复供电命令序列。自动或人机交互下发执行。就地操作DTU内有分、合闸按钮，实现就地操作。有就地/遥控选择开关，维护放电按钮等。环网功能当DTU设置为联络开关时，根据一侧或二侧PT受电状态，按整定值自动控制开关合分。在开关双侧有电时，禁止联络开关合闸。需要联网运行的，主站要进行专门设置和确认。当一侧失电时，根据FA方案和主站的设置，允许自动合闸的，自动控制合闸，以迅速地恢复供电。定值下装、上传功能速断定值、使能；过电流定值，时间常数、使能；重合闸时间、使能；环网功能设置、取消。当地维护功能通过DTU上的标准通信维护接口，利用专用维护软件进行调试及维护。包括参数定值配置、检查；遥测、遥信、遥控、对时测试召测；数据上传、通信等。自诊断、自恢复功能具有自诊断功能，当发现DTU的内存、时钟、I/O等异常，马上记录并上报。具有上电自恢复功能。电源UPS和电池维护功能满足操作机构、终端设备和通信装置用电。DTU双电源供电，一侧电源失电后仍可持续工作。平时由主电源给DTU供电，同时给电池浮充。双侧电源失电后由电池供电，DTU可继续工作24小时（电台除外）。电池低电压告警保护功能。电池自动维护：在规定的时间内由调度员下发电池维护命令，电池开始放电，电池低电压时自动停止放电，自动切换由主电源供电，并给蓄电池充电。电池充电采用恒压限流充电，确保安全。 2、馈线终端设备（FTU） FTU 是装设在馈线开关旁的开关监控装置。这些馈线开关指的是户外的柱上开关，例如10kV线路上的断路器、负荷开关、分段开关等。一般来说，1台FTU要求能监控1台柱上开关，主要原因是柱上开关大多分散安装，若遇同杆架设情况，这时可以1台FTU监控两台柱上开关。 2.1 定义 FTU 是装设在馈线开关旁的开关监控装置。这些馈线开关指的是户外的柱上开关，例如10kV线路上的断路器、负荷开关、分段开关等。一般来说，1台FTU要求能监控1台柱上开关，主要原因是柱上开关大多分散安装，若遇同杆架设情况，这时可以1台FTU监控两台柱上开关。 2.2 特点 FTU采用了先进的DSP 数字信号处理技术、多CPU集成技术、高速工业网络通信技术，采用嵌入式实时多任务操作系统，稳定性强、可靠性高、实时性好、适应环境广、功能强大，是一种集遥测、遥信、遥控、保护和通信等功能于一体的新一代馈线自动化远方终端装置。适用于城市、农村、企业配电网的自动化工程，完成环网柜、柱上开关的监视、控制和保护以及通信等自动化功能。配合配电子站、主站实现配电线路的正常监控和故障识别、隔离和非故障区段恢复供电。 2.3 功能 遥测（1）交流电气测量Ia、Ib 、Ic、In、Uab、Ucb、Ua、Ub、Uc，Un等任意组合，一般Uab和Ucb分别取开关两侧，监视馈线两端的供电情况。（2）两表法或三表法，软件计算出P、Q、Pa、Pb、Pc、f、cos∮等，根据主站需要上传；（3）保护Ia、Ic的记录上传；（4）直流模拟量：两路，电池电压、温度等。 遥信 （1）开关状态信号， SOE；（2）开关储能信号、操作电源；（3）压力信号等；（4）电池低电压告警；（5）保护动作和异常信号；（6）其他状态信号。遥控（1）开关的分合，失电后可进行2次以上分合操作；（2）电池的维护；（3）保护信号远方复归；（4）其他遥控。数据传输功能能与上级站进行通信，将采集和处理信息向上发送并接受上级站的控制命令。和上级的校时。其他终端的信息向上转发。电能量信息向上转发。主动上传事故信息（可选功能）。具有当地维护通信接口。通信规约：支持DL/T 634.5101-2002（IEC60870-5-101）、DL/T634.5104-2002（IEC60870-5-104）、DL/T 451-91循环式远动规约、DNP3.0、SC1801、MODBUS等多种通信规约，并可按需要进行扩充。通信接口：RS-232/485、工业以太网、CAN。通信信道：可支持光纤、载波、无线扩频、无线数传电台、CDMA、GPRS以及ADSL等多种通讯形式，由用户任选。故障识别、隔离、恢复供电及保护具有速断、延时过电流（复合低电压）保护、重合闸功能，根据馈线自动化方案选配。监测故障电流，记录过电流时间、过电流最大值，上报配电子站、配电主站。配电子站、配电主站根据各开关FTU上报过电流故障信息和开关跳闸信息，按照配电网变结构耗散拓扑模型，进行故障区域判断，指出故障区域，生成故障隔离命令序列和非故障区域恢复供电命令序列。自动或人机交互下发执行。就地操作FTU内有分、合闸按钮，实现就地操作。有就地/遥控选择开关，维护放电按钮等。环网功能当FTU设置为联络开关时，根据一侧或二侧PT受电状态，按整定值自动控制开关合分。在开关双侧有电时，禁止联络开关合闸。需要联网运行的，主站要进行专门设置和确认。当一侧失电时，根据FA方案和主站的设置，允许自动合闸的，自动控制合闸，以迅速地恢复供电。定值下装、上传功能速断定值、使能；过电流定值，时间常数、使能；重合闸时间、使能；环网功能设置、取消。当地维护功能通过FTU上的标准通信维护接口，利用专用维护软件进行调试及维护。包括参数定值配置、检查；遥测、遥信、遥控、对时测试召测；数据上传、通信等。自诊断、自恢复功能具有自诊断功能，当发现FTU的内存、时钟、I/O等异常，马上记录并上报。具有上电自恢复功能。电源UPS和电池维护功能满足操作机构、终端设备和通信装置用电。FTU双电源供电，一侧电源失电后仍可持续工作。平时由主电源给FTU供电，同时给电池浮充。双侧电源失电后由电池供电，FTU可继续工作24小时（电台除外）。电池低电压告警保护功能。电池自动维护：在规定的时间内由调度员下发电池维护命令，电池开始放电，电池低电压时自动停止放电，自动切换由主电源供电，并给蓄电池充电。电池充电采用恒压限流充电，确保安全。 3、配变终端设备（TTU） TTU监测并记录配电变压器运行工况，根据低压侧三相电压、电流采样值，每隔1～2分钟计算一次电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能等运行参数，记录并保存一段时间（一周或一个月）和典型日上述数组的整点值，电压、电流的最大值、最小值及其出现时间，供电中断时间及恢复时间，记录数据保存在装置的不挥发内存中，在装置断电时记录内容不丢失。配网主站通过通信系统定时读取TTU测量值及历史记录，及时发现变压器过负荷及停电等运行问题，根据记录数据，统计分析电压合格率、供电可靠性以及负荷特性，并为负荷预测、配电网规划及事故分析提供基础数据。如不具备通信条件，使用掌上电脑每隔一周或一个月到现场读取记录，事后转存到配网主站或其它分析系统。TTU构成与FTU类似，由于只有数据采集、记录与通信功能，而无控制功能，结构要简单得多。为简化设计及减少成本，TTU由配变低压侧直接变压整流供电，不配备蓄电池。在就地有无功补偿电容器组时，为避免重复投资，TTU要增加电容器投切控制功能。 3.1定义 TTU监测并记录配电变压器运行工况，根据低压侧三相电压、电流采样值，每隔1～2分钟计算一次电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能等运行参数，记录并保存一段时间（一周或一个月）和典型日上述数组的整点值，电压、电流的最大值、最小值及其出现时间，供电中断时间及恢复时间，记录数据保存在装置的不挥发内存中，在装置断电时记录内容不丢失。配网主站通过通信系统定时读取TTU测量值及历史记录，及时发现变压器过负荷及停电等运行问题，根据记录数据，统计分析电压合格率、供电可靠性以及负荷特性，并为负荷预测、配电网规划及事故分析提供基础数据。如不具备通信条件，使用掌上电脑每隔一周或一个月到现场读取记录，事后转存到配网主站或其它分析系统。 3.2特点 适用于供电公司、县级电力公司、发电厂、工矿企业、部队院校、农村乡电管站、100-500KVA配电变压器台变的监测与电能计量，配合用电监察进行线损考核，还能通过GPRS通信网络将所有数据送到用电管理中心，为低压配电网络优化进行提供最真实最准确的决策依据。 3.3功能 ■ “四合一”综合功能集计量、电能质量监测、配变工况监测、无功补偿四项功能于一体。 ■ 智能无功补偿 智能式电容器可自成系统，电容器自动投切，实现自动无功补偿 ■ 组网灵活 遵循国家电网公司与南网公司现行配变监测系统 规约，方便接入电力企业现有的负荷管理系统与配电管理系统，提供完整的电压无功实时信息，亦可独立组成无功实时信息系统 ■ 工程简便 装置 结构简洁，内部接线少而清晰，电容器积木式组合，便于安装、维护，更方便优化调整补偿容量 4、远程终端设备（RTU） 4.1定义 RTU（Remote Terminal Unit）是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。与常用的可编程控制器PLC相比，RTU通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。正是由于RTU完善的功能，使得RTU产品在SCADA系统中得到了大量的应用。 远程终端设备（RTU）是安装在远程现场的电子设备，用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。RTU将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。它还将从中央计算机发送来得数据转换成命令，实现对设备的功能控制。 4.2特点 （1）通讯距离较长；（2）用于各种环境恶劣的工业现场；（3）模块结构化设计，便于扩展 ；（4）在具有遥信、遥测、遥控领域的水利，电力调度，市政调度等行业广泛使用。 4.3功能 (1) 采集状态量并向远方发送，带有光电隔离，遥信变位优先传送； (2) 采集数据量并向远方发送，带有光电隔离；(3) 直接采集系统工频电量，实现对电压、电流、有功、无功的测量并向远方发送 ，可计算正反向电度；(4) 采集脉冲电度量并向远方发送，带有光电隔离；(5) 接收并执行遥控及返校；(6) 程序自恢复；(7) 设备自诊断(故障诊断到插件级)；(8) 设备自调；(9) 通道监视；(10) 接收并执行遥调；(11) 接收并执行校时命令(包括GPS对时功能 选配)；(12) 与两个及两个以上的主站通讯；(13) 采集事件顺序记录并向远方发送；(14) 提供多个数字接口及多个模拟接口；(15) 可对每个接口特性进行远方/当地设置；(16) 提供若干种通信规约,每个接口可以根据远方/当地设置传输不同规约的数据；(17) 接受远方命令,选择发送各类信息；(18) 可转发多个子站远动信息；(19) 当地显示功能，当地接口有隔离器；(20) 支持与扩频、微波、卫星、载波等设备的通讯；(21) 选配及多规约同时运行，如DL451-91 CDT规约，同进应支持POLLING规约和其他国际标准规约（如DNP3.0、SC1801、101规约）；(22) 可通过电信网和电力系统通道进行远方设置。 主要区别：DTU是SOCKET连接的客户端。因此只有DTU是不能完成数据的无线传输的，还需要有后台软件的配合一起使用。FTU与RTU有以下区别：FTU体积小、数量多，可安置在户外馈线上，设有变送器，直接交流采样，抗高温，耐严寒，适应户外恶劣的环境；而RTU安装在户内，对环境要求高；FTU采集的数据量小，通信速率要求较低，可靠性要求较高；而RTU采集的数据量大，通信速率较高，可靠性要求高，有专用通道。TTU则是单一功能单元，仅对配电变压器的信息采集和控制。
项目中，由于CPU所用的IO的电压比较低，很多IO的电压域的电压都是1.8V，而外围设备电路通常所用的电压是3.3V和5V，当CPU需要与外围设备通信时就会出现通信接口电压不匹配的情况，此时就需要对通信接口进行电平转换。下面我们以I2C接口电路进行分析，电路如下： 那么它是如何实现不同电压域之间的双向通信的呢？ 原理分析 为了便于分析，我们使用其中一根线进行分析，下面是I2C的数据线原理图： 当SDA1输出高电平时：MOS管Q1的Vgs = 0，MOS管关闭，SDA2被电阻R2上拉到3.3V。 当SDA1输出低电平时：MOS管Q1的Vgs = 1.8V，大于导通电压，MOS管导通，SDA2通过MOS管被拉到低电平。 当SDA2输出高电平时：MOS管Q1的Vgs不变，MOS维持关闭状态，SDA1被电阻R1上拉到1.8V。 当SDA2输出低电平时：MOS管不导通，但是它有个寄生二极管！MOS管里的寄生二极管把SDA1拉低到低电平，此时Vgs约等于1.8V，MOS管导通，进一步拉低了SDA1的电压。
常用快捷键 在下面的表格里，展示了 LTspice 当中使用频率非常高的一些快捷键（这些快捷键也可以通过展开菜单栏上的【Edit】进行查看或者使用）： 快捷键设置 鼠标依次点击 LTspice 菜单栏上的【Simulate -> Settings】打开设置对话框，选中该对话框里的【Schematic】选项卡，按下该界面上的【Keyboard Shortcuts[*]】按钮： 这样就可以查看和修改 LTspice 全部的快捷键设置，其最新的 24.0.0 版本与早期其它版本的默认快捷键设置有所不同，具体请参考如下界面当中的默认设置： 常量符号 单位符号 注意：表达 106 数量级要使用 MEG 或者 meg，而不是使用 M 或者 m；电容器的参数设置里输入 1 表示的是 1 法拉第，而不能使用 1F 或者 1f。 注意：在 .asc 源文件当中，点命令以 ! 符号作为开始，而注释则是以 ; 作为开始。
铜引线键合由于在价格、电导率和热导率等方面的优势有望取代传统的金引线键合, 然而 Cu/Al 引线键合界面的金属间化合物 (intermetallic compounds, IMC) 的过量生长将增大接触电阻和降低键合强度, 从而影响器件的性能和可靠性。 针对以上问题, 本文基于原位高分辨透射电子显微镜技术, 研究了在 50—220◦C 退火温度下, Cu/Al 引线键合界面 IMC 的生长问题, 实时观测到了 Cu/Al IMC的动态生长及结构演变过程。 实验结果表明, 退火前颗粒状的 Cu/Al IMC 分布在键合界面, 主要成分为 Cu9Al4, 少量成分为 CuAl2。退火后 Cu/Al IMC 的成分是: 靠近 Cu 一端为 Cu9Al4, 远离 Cu 的一端为 CuAl2。同时基于原位观测 Cu/Al IMC 的动态生长过程, 计算得到了 Cu/Al IMC 不同温度下的反应速率和激活能, 给出了基于原位实验结果的Cu/Al IMC的生长公式, 为优化Cu/Al引线键合工艺和提高Cu/Al引线键合的可靠性提供了指导。 一、介绍 引线键合起源于20世纪60年代初, 被广泛应用于芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息交互。 与传统互连材料金(Au)相比, 铜(Cu)丝具有价格便宜、电导率和热导率高、机械性能更优等优势 , 有望取代Au广泛应用于引线键合。 然而,自1992年美国国家半导体公司成功将Cu 引线键合应用于低端电子产品至今, 由于对Cu引线键合机理和可靠性研究的不充分, 工业界仍对大规模应用Cu丝互连采取保留态度 , 因而对Cu引线键合的研究变得迫切。 在芯片封装流程中, 引线键合后需要进行环氧树脂塑封, 这种后成型封装通常需要在175—200◦C温度下退火4—8h。 Cu/Al引线键合界面在键合和退火过程中由于原子扩散会形成金属间化合物。根据Cu/Al二相图在365 ◦C下Cu/Al IMC共有5个稳定相: CuAl2(θ), CuAl(η2),Cu4Al3(ζ2),Cu3Al2(δ),Cu9Al4(γ1)。 近年来, 大量工作集中研究了Cu/Al键合界面IMC和空洞生成,过量的Cu/Al IMC 和空洞不但会增加接触电阻还会降低键合强度。 早期的研究主要基于光学显微镜、 Micro-XRD或者SEM-EDX, 认为键合后(asbonded)键合界面没有Cu/Al IMC生成, 并得到退火后IMC主要有CuAl2, CuAl和Cu9Al4，基于Micro-XRD分析认为150—300 ◦C下Cu/Al IMC的主要成分为Cu9Al4, 并基于SEM研究得到Cu/Al IMC生长速度是Au/Al IMC 生长速度的10%, 给出了IMC生长公式。 随着电子显微镜发展, 一些工作开始利用高分辨扫描电子显微镜(SEM)和聚焦离子束系统(FIB)对Cu/Al IMC在退火处理下从键合后的几纳米生长至几微米的成分演变进行了研究。近年来, 越来越多的研究开始采用高分辨透射电子显微(TEM)技术, 这些工作直观、精确地获得了一些Cu/Al IMC晶格结构的信息，认为175 ◦C, 200 ◦C和250 ◦C退火条件下Cu-Al IMC由CuAl2 转化为Cu9Al4。 然而,目前关于Cu/Al IMC生长的机理依然不够明确,需要进一步深入研究。同时, 综上所述的所有研究方法均采用非原位研究, 即对一批样品进行不同退火温度和退火时间处理, 然后再进行SEM和TEM表征。与非原位实验研究相比, 原位透射电子显微术(In-situ TEM)基于透射电子显微镜, 结合多功能样品杆(对样品进行多外场负载、力电热性能测试等), 可以对材料实现原位处理和同步观测。因而, 原位透射电子显微技术是研究Cu/Al引线键合界面在多种处理环境中结构演化过程和机理的先进方法。 基于In-situ TEM研究了Cu/Al引线键合界面在50—220 ◦C退火下Cu/Al IMC 的结构演变。 通过原位加热观测, 我们分析了Cu/Al IMC的结构演变, 并计算得到了Cu/Al IMC反应速率, 推导得到了原位加热下Cu/Al IMC生长公式。 二、实 验 如图 1 (a)所示, 直径为22 µm的纯Cu线热超声键合到1.5 µm厚的Al 金属盘, 键合压力为25—35 gf, 超声功率为120—150 mW, 键合温度为180 ◦C, 键合后进行塑封。 沿键合球中心使用传统研磨和抛光, 然后采用聚焦离子双束(FIB dualbeam)减薄, 制备厚度小于100 nm的TEM样品。图 1 (b)所示的是FIB制样所得TEM样品的结构图, 而图 1 (c)是在退火前样品的Cu/Al引线键合界面颗粒状IMC的形貌。 图 1 (a) Cu/Al 引线键合结构示意图; (b) FIB 制样所得原位 TEM 样品结构图 (标尺 = 2 µm); (c) Cu/Al 引线键合界面退火前颗粒状 IMC 形貌 TEM 图 (标尺 = 100 nm) 采用加速电压为300 kV带球差校正的透射电子显微镜(FEI Titan 80-300)对FIB样品进行原位表征。 采用Gatan 628单倾热杆进行原位加热, 加热温度从50—220 ◦C逐渐升高, 每个温度下恒温时间超过1 h, 总共持续24 h, 具体加热过程见表 1 。 表 1 Cu-Al 引线键合 TEM 样品的原位退火温度和时间 三、结果与讨论 1 Cu/Al IMC生长原位观测 图 2 原位实时观察 Cu/Al 引线键合界面 Cu/Al IMC 热生长动态过程 (a)—(i) 分别为所标注的退火温度和退火时间下的 TEM 图 ((a)—(f) 中标尺 = 20 nm; (g)—(h) 中标尺 = 50 nm; (i) 中标尺 = 0:2 µm) 图 2 为原位加热实时观察到的Cu/Al IMC的动态生长过程图, 图 2 (a)—(i)中白色虚线椭圆中的部分即是Cu/Al IMC。状Cu/Al IMC从初始20—40 nm逐步生长至340 nm, 直至Al几乎全部消耗掉。当退火温度稳定后, 没有观测到Cu/AlIMC的生长速度激增的现象, 所以退火温度稳定后大于一个小时的观测数据足够反映Cu/Al IMC在该温度下的生长情况。 原位观察实验表明, 当温度低于175 ◦C时, IMC生长速度相对缓慢; 当温度高于175 ◦C时, IMC生长速度较快。 图 3 (a) Cu/Al 引线键合界面退火前颗粒状 IMC 形貌的 TEM 图 (标尺 = 20 nm); (b) 为 (a) 所示区域 A 中IMC 的 HRTEM 像 (标尺 = 10 nm); (c) 为 (b) 所示 IMC 的 FFT 图, 经标定得出为 Cu9Al4 图 3 所示的是退火前Cu/Al引线键合界面的IMC相分析。 退火前IMC呈孤岛颗粒状分布在Cu/Al键合界面, 如图 3 (a)所示。 图 3 (b), (c)分别是(a)所示IMC的高分辨二维晶格像和快速傅里叶转换图(FFT), 此处IMC经过分析确认为Cu9Al4。 分析得到, IMC退火前的主要成分是Cu9Al4, 少量成分是CuAl2。而在其他文献研究中, 退火前IMC的主要成分是CuAl2, 这可能是因为本样品键合之后经过了塑封处理, 塑封过程需要经历一百多摄氏度下数小时热处理。 图 4 (a)为 Cu/Al 引 线 键 合 界 面 经 过 24 h 退 火 处 理 后STEM 形 貌 图, 经 过 分 析 得 到 IMC 主 要 有 两层, 与Cu相近一端为Cu9Al4(图 4 (c)), 另一层为CuAl2(图 4 (b))。然而, 365 ◦C 下Cu/Al IMC的其他稳定相如CuAl, Cu4Al3, Cu3Al2, 在原位加热没有观测到。 其原因可能是这些成分的热稳定性没有CuAl2 和Cu9Al4 高, 也有可能这些结构分布散乱零碎, 不足以进行高分辨表征。 图 4 (a) Cu/Al 引线键合界面根据表 1 退火 24 h 后 STEM 图 (标尺 = 0:2 µm); (b) 为 (a) 所示区域 B-1 中 IMC的 HRTEM 像 (标尺 = 5 nm), 插图为 B-1 的 FFT 图, 经标定得出为 CuAl2; (c) 为 (a) 所示区域 B-2 中 IMC 的HRTEM 像 (标尺 = 5 nm), 插图为 B-2 的 FFT 图, 经标定得出为 Cu9Al4 2 Cu/Al IMC原位生长速率计算 基于非原位加热、SEM表征Cu/Al IMC厚度随温度和时间变化的数据, 给出了Cu/Al IMC生长公式: 其中X 为IMC厚度(cm), t为退火时间(s), K 为IMC反应速率(cm2/s), K0 为指前因子(cm2/s), Q是激活能(kcal/mol) (1 cal = 4:184 J), R是气体常数(kcal mol−1K−1), T 是退火温度(K), (2)式为阿伦尼乌斯公式,通过计算得到Cu/Al IMC生长公式为 根据(1)式, 本文使用Mathematic软件对原位观测得到的Cu/Al IMC厚度随时间的变化关系数据进行拟合处理, 得到如图5 (a)所示的曲线, 在150 ◦C,175 ◦C, 220 ◦C下Cu/Al IMC厚度随时间近似呈抛物线关系。 利用(1)式进一步对IMC厚度与退火时间的平方根的变化关系数据进行拟合, 可以得到如图 5 (b)所示的拟合直线。 由此, 可以认为原位退火条件下Cu/Al IMC厚度的平方近似正比于退火时间。 图 5 (a) Cu/Al IMC 厚度与退火时间的关系; (b) Cu/AlIMC 厚度对退火时间的平方根的关系 对于图 5 (b)中的拟合直线, 其斜率即是K1/2的值, 可以得到三种不同温度下K1/2 的值, 从而可以得到不同退火温度下IMC的反应速率如表 2 所示。 同时, 表 2 中也给出了非原位实验研究所得Cu/Al IMC反应速率数据与原位实验研究所得Cu/Al IMC反应速率数据的比较。 从表 2 中可以看到, 本文原位研究所得的反应速率略高于非原位研究得到的反应速率, 且随加热温度升高, 两者的相对相差(绝对相差/平均值)逐渐减小。 由表 2 中的数据, 根据(2)式对Cu/Al IMC反应速率的自然对数随退火温度的倒数的变化关系数据进行拟合, 得到如图 6 所示的拟合直线。 根据图 6 中拟合直线的斜率和截距可以得到了原位实验研究Cu/Al IMC生长公式为 表 2 原位和非原位研究方法得到的 Cu/Al IMC 反应速率的比较 比较可知, (3)式和(4)式形式一致, 但是系数不同。为了进一步比较两种方法所得公式的差异, 根据(2)式计算了Cu/Al IMC的激活能Q。如表 3 所示, 原位实验研究所得Cu/Al IMC激活能为23.8 kcal/mol, 而基于SEM非原位实验研究计算得到的Cu/Al IMC 激活能为26 kcal/mol。 表 3 不同研究方法得到的 Cu/Al IMC 激活能比较 基于TEM非原位实验研究分别计算得到CuAl2 和Cu9Al4 的激活能为14.49kcal/mol, 18.06 kcal/mol。从表 3 中比较可知, 原位透射电子显微镜研究所得Cu/Al IMC 的激活能介于SEM和TEM非原位实验研究中间。 如上所述, 由于键合工艺的偏差和Cu/Al IMC不同部位生长的非均匀性, 采用非原位研究方法, 需要在一批样品热处理后再分别进行制样观测。 由于样品本身的差异, 这种非原位的方法相比于原位实验研究将产生较大的误差。 同时, 非原位实验研究中, 一组样品之间退火时长的间隔从几小时到几十小时不等, 长时间的缺乏监控, 将大大增加生长过程中的不确定性。 而原位透射电子显微镜研究, 不但提供了实时观测Cu/Al IMC热生长的可能, 还可以更加精确地测量Cu/Al IMC生长。 精确的Cu/Al IMC生长公式, 对准确地预测Cu/Al引线键合的可靠性具有重大意义, 对Cu/Al引线键合产品的正确使用环境提供了指导, 甚至对芯片设计中散热标准提出了指导。 图 6 Cu/Al IMC 反应速率的自然对数 lnK 与退火温度T 的倒数关系 四、结论 本文基于原位高分辨透射电子显微镜实时观测了Cu/Al引线键合界面金属间化合物退火条件下的结构演变过程。 实验表明, 退火后CuAl IMC的主要产物为CuAl2 和Cu9Al4。 同时, 拟合计算得到了不同退火温度下Cu/Al金属间化合物的反应速率和激活能(23.8 kcal/mol), 给出了基于原位实验结果的更加精确的Cu/Al IMC生长公式, 为Cu/Al引线键合的应用、芯片散热设计和可靠性预测提供了指导。
计数器是重要的电子器件、设备之一，所以我们有必要对计数器有所认识。在这篇文章中，小编将对计数器、计数器的作用、计数器的种类以及计数器的应用予以介绍。如果你对计数器相关内容具有兴趣，不妨继续往下阅读哦...
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