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。
1. 超导电机Superconducting Motor超导电机是一种利用超导材料作为绕组或转子元件的电机，相比传统电机，它具有更高的功率密度、更高的效率以及更低的损耗。超导材料在低温下可以表现出零电阻和完全抗磁性（迈斯纳效应），使电机可以极大地减少铜损和铁损，提高能量转换效率。超导电机可以同时实现轻量化小尺寸和高功率。The mechanism of a superconducting motor东芝超过2700马力的超导电机来源：企业官网 2. 感应电机Induction motor感应电动机又称异步电动机，是一种交流电动机。根据电源相数不同，可分为单相和三相。感应电动机的主要结构由定子和转子两部分组成。此外，还有端盖、轴承、电机架等部件。鼠笼型异步电动机示意图特斯拉第一款量产电动汽车是Roadster，采用传统的三相交流感应电动机。该电机类型为三相四极感应电机，额定电压为375V，具有大功率和扭矩输出。Roadster的感应电机峰值功率达185kW，最高转速达14000RPM；异步感应电机峰值功率达215kW，最高转速达13000RPM，最大扭矩达430Nm，功率密度达2.25kW/kg，这些参数共同赋予了Roadster优异的性能表现。图片来源：特斯拉 3. 永磁同步电机PMSM永磁同步电机是一种定子绕组与永磁转子同步旋转的交流电机，具有高功率密度、高效率和优异的动态响应特性，被广泛应用于新能源汽车、工业自动化、航空航天、家用电器等领域。Interior permanent magnet synchronous motor4. IPM电机和SPM电机两者之间的区别IPM电机：内置式永磁体 (IPM) 是一种交流电源电机，其中稀土材料制成的超级磁铁安装在转子槽内，线圈绕组（电枢）固定在定子上。与其他 IPM 电机相比，具有高效率、高可靠性、高扭矩和大功率密度。 SPM电机：也是一种交流供电电机配置，其中超级磁铁安装在转子表面。SPM 电机还提供高扭矩、高效率和高可靠性。与 IPM 电机一样，SPM 也是同步电机，但这里的永磁电机安装在转子表面上，而电枢固定在定子上。在 SPM 中，磁阻转矩最小，因此产生的转矩小于 IPM 电机。5. 无刷直流电机Brushless DC Motor图片来源：CSDN无刷直流电机是一种电子换向的直流电机，通过霍尔传感器或磁编码器检测转子位置，并由控制器（电子驱动器）调节电流，实现无刷运行。BLDC电机与传统的有刷直流电机（BDC）相比，取消了机械换向器和电刷，从而具有更高效率、更长寿命、更低噪音和更少维护的优势，因此广泛应用于电动汽车、无人机、家电、工业自动化、医疗设备等领域。6. 有刷直流电机Brushless DC Motor有刷直流电机是一种通过机械换向器（电刷和换向器）实现换向的直流电机。它依靠碳刷与换向器接触，使电流方向不断变化，从而驱动转子旋转。虽然有刷直流电机在某些应用上逐渐被无刷直流电机（BLDC）取代，但由于其成本低、控制简单、启动扭矩大，在许多工业和消费类设备中仍然有广泛应用。图中的有刷直流电机技术源自一种基于无铁转子（自支撑线圈）的设计，结合了贵金属或碳铜换向系统和稀土或铝镍钴磁铁。直流电机图所有直流电机均由三个主要子组件组成：1.定子2.刷架端盖3.转子7. 液冷电机Liquid-Cooled Motor液冷电机是一种采用液体冷却系统来控制电机温度的电机类型。相比传统的风冷电机，液冷电机具备更高的散热效率，能够在高功率、高负载工况下保持稳定运行。液冷系统通常采用水冷（含乙二醇溶液）、油冷或其他冷却液，冷却方式包括冷却套管、内置冷却通道、转子或定子直接冷却等。Lucid汽车工程师认为绕组之间存在狭窄的磁性“死区”，可以在不影响磁通量的情况下在这些死区中切割出细长的冷却通道。这些通道允许冷却油从更靠近产生热量的地方（铜中）带走更多热量。油流通过针孔从这些狭窄的通道中流出，针孔将油喷洒到裸露的铜绕组上。华为液冷电机智能油冷 精准散热、电机核心部件温度降低15℃ 承受极端条件的能力 、超静音 AI算法的系统级耦合仿真优化 行业领先78dB NVH、图书馆级的安静舒适8. 磁阻电机Reluctance Motor磁阻电机是一种依靠磁阻特性来产生转矩的电机。结构简单，无需永磁体，适用于高温环境。高效、可靠，且成本较低。适用于要求高转矩密度和高能效的应用场景。磁阻电机通常分为同步磁阻电机（SynRM）和开关磁阻电机（SRM）两类。图片来源：罗罗日记开关磁阻电机9. 步进电机Stepper Motor步进电机是一种离散控制的电机，每输入一个电脉冲，转子便转动一个固定的角度（步距角），从而实现精确的位置控制。步进电机的主要特点：开环控制无需反馈系统即可精确定位。高转矩、低速稳定性好适用于需要精准控制的场合。结构简单、成本较低广泛用于工业自动化和消费电子领域。常见的步进电机类型包括永磁步进电机（PM）、可变磁阻步进电机（VR）、混合式步进电机（HB）等。10. 轴向磁通电机Axial Flux Motor轴向磁通电机是一种特殊的电机拓扑，其磁通方向平行于电机轴，与传统的径向磁通电机（磁通垂直于轴）不同。
01电流、磁场和力 首先，为了便于后续电机原理说明，我们来回顾一下有关电流、磁场和力的基本定律/法则。虽然有一种怀旧的感觉，但如果平时不常使用磁性元器件，就很容易忘记这些知识。 02旋转原理详解 下面介绍一下电机的旋转原理。我们结合图片和公式来说明。 当导线框为矩形时，要考虑到作用在电流上的力。 作用于边a、c部分的力F为：产生以中心轴为心轴的转矩。 例如，当考虑到旋转角度仅为θ的状态时，与b和d成直角作用的力为sinθ，因此a部分的转矩Ta由以下公式表示：以相同的方式考虑c部分，则转矩加倍，并生成由以下公式计算出来的转矩：由于矩形的面积为S＝h・l，因此将其代入上述公式可得出以下结果： 该公式不仅适用于矩形，也适用于圆形等其他常见形状。电机就是利用了该原理。 关键要点：电机的旋转原理遵循电流、磁场和力相关的定律（法则）。 电机的发电原理 下面将介绍电机的发电原理。 如上所述，电机是将电能转换为动力的设备，可以通过利用磁场和电流相互作用所产生的力来实现旋转运动。其实，反之，电机也能够通过电磁感应将机械能（运动）转换为电能。换个角度说，电机具有发电作用。提到发电，您可能就会想到发电机（也称为“Dynamo”、“Alternator”、“Generator”、“交流发电机”等），但是其原理与电机相同，并且基本结构相似。简而言之，电机可以通过使电流流经引脚而获得旋转运动，相反，当电机的轴旋转时，在引脚之间会有电流流过。 01电机的发电作用 如前所述，电机的发电依赖于电磁感应。以下是相关定律（法则）和发电作用的图示。 左图显示电流按照弗莱明右手定则流动。通过导线在磁通中的运动，在导线中产生电动势并且有电流流动。 中间的图和右图表示按照法拉第定律和楞次定律，当磁铁（磁通）靠近或远离线圈时，电流沿不同的方向流动。 我们将在此基础上来解释发电原理。 02发电原理详解 假设面积为S（＝l×h）的线圈在均匀磁场中以ω的角速度旋转。 此时，假设线圈表面的平行方向（中间图中的黄线）和相对于磁通密度方向的垂直线（黑色虚线）形成角度为θ（=ωt），则穿透线圈的磁通量Φ由下式表示： 另外，通过电磁感应在线圈中产生的感应电动势E如下：当线圈表面的平行方向垂直于磁通方向时，电动势变为零，而水平时电动势的绝对值最大。 这样，电机就具备了发电作用。我在这里说明的是电机具有旋转动作和发电作用，并不意味着要将电机用于发电。如果要发电，通常使用专为发电进行了优化的发电机。 关键要点：电机的发电作用与旋转动作一样，遵循电流、磁场和力的定律（法则）。电机通过电磁感应将机械能（运动）转换为电能。
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。
鉴于半导体不断微型化、高集成化、超精细化的发展趋势，为实现对晶圆片的高质量和高效率划片，设计了一种全自动激光晶圆划片机。该设计通过机器视觉对准系统获取划片位置，控制系统由上位机和西门子PLC组成，可实现晶圆的自动上下料、十字滑台运动和激光划片功能。实际运行表明，该设备的晶圆划片精度和效率可以满足实际生产需求，可实际应用在半导体晶圆划片生产中，具有自动化水平高和柔性好的特点。 0 引言 划片主要用于碳化硅、蓝宝石、砷化镓等材料的加工，是将半导体晶圆分割成单个芯片的工序。划片要求切缝窄、崩边小、裂纹少、无分层[1]，划片质量直接影响半导体封装成品的可靠性[2-3]。面对半导体不断微型化、高集成化、超精细化的发展趋势，晶圆直径不断增大，厚度越来越薄，使得晶圆对外力较为敏感。单位面积上集成的电路不断增加，留给分割的划片道越来越小，无法完成任意线段形状的划切，砂轮划片机已无法完全满足需求。 激光具有单色性好、方向性强、划片效率高等特点，因此激光划片目前已经成为晶圆划片的研究热点。2023年，段凌云等人研究了激光划片砷化镓晶片时加工参数激光脉冲能量、水射流压力、加工速度、水射流角度等对微槽深度、微槽宽度和材料去除率的影响[4]。2022年，许军等人通过湿法台阶刻蚀工艺在电池晶圆上做成切割槽后采用激光划片晶圆，尺寸误差小于10 μm，与金刚石砂轮划片相比具有速度快、维护周期短等优点[5]。2020年，汪于涛等人利用德国的PX100-3-GF激光器对单晶硅切割进行研究，探讨了激光能量、光斑、切缝宽度及切割次数对单晶硅切割的影响[6]。2018年，张乾等人针对激光划片机的自动化生产需求，利用图像识别和模板匹配，在激光划片机上实现晶圆的自动对位，最后通过建立网格节点的方式得出划片轨迹实现晶圆的自动识别与划片，但适应多种复杂晶圆自动对位算法的兼容性存在一定问题[7]。 激光划片机已经成为 半 导 体 行 业 中 的 重 要 设备，日本DISCO公司销售的激光划片机占据了大量的市场份额。随着半导体行业对精度和效率的要求不断提高，激光划片机需要进一步升级。为了满足半导体生产制造中对高效率、高精度、柔性化的要求，设计了一套全自动激光晶圆划片系统，配备了视觉自动对准和自动上下料系统，大大提高了划片效率和质量。 1 系统方案 全自动激光半导体划片机通过高功率激光辐照半导体晶圆表面，利用半导体材料气化或升华原理实现对砷化镓（GaAs）半导体晶圆片的自动划切。激光划片机的总体结构如图1所示。 自动激光划片机由上下料装置、激光装置、划片工作台和控制系统等组成，激光和视觉系统固定，晶圆片放在划片工作台的支架上，工作台带动晶圆片移动实现划片操作。 激光划片的工作过程：上片、对准、划片和下片等。上料吸盘机构将料盒从储料盒中推出来，通过上下料中的定位装置将料盘定位，然后通过传输装置将料盘运送到旋转工作台，旋转工作台利用真空嘴吸附固定料盘，利用视觉自动对位后，利用X/Y轴的往复运动实现自动划片。自动划片完成后下料装置将划切好的晶圆片传送至下一工站。 激光划片机是建立在激光束的聚焦和扫描技术之上，一股激光束通过聚焦透镜和扫描镜被精确聚焦到待划片的材料表面。激光束照射在材料表面，产生高温和高压，形成激光刻蚀效应，从而在材料表面刻出一条刻痕。激光划片机的主要组成部分包括激光源、聚焦透镜、扫描镜、运行工作台和控制系统等，其中激光的功率和工作频率对划片的效率和精度起着决定性作用，故采用美国PAR公司的100/25型CO2激光器，波长为10.6 μm，含有RS232接口。聚焦透镜和扫描镜则负责控制激光束的聚焦和扫描。工作台用 于 放置 待 划 切 的 半 导 体 晶 圆 ，其稳 定 性 对 划片精度具有重要影响。控制系统则负责协调各部件的工作，包括激光束的扫描路径、激光功率和工作时间等。 2 上下料与划片工作台机构设计 上下料系统如图2所示，主要包括上料装置、上下料装置、抓取装置和其他辅助装置。上料装置的运动由步进电机、传动机构和气动抓取装置实现。上下料装置利用升降机构将料盒上下移动到相应位置，由于料盒移动对精度要求不高，故采用丝杠滑块结构，步进电机带动丝杠滑块实现模块的上下直线运动。上料装置利用升降机构的运动移动放有待搬运晶圆片的料盒以适应抓取装置的取料。抓取装置由伸缩气缸、旋转气缸和吸嘴等组成，通过控制系统对步进电机、气缸和真空发生器等进行控制，实现晶圆片的自动上料。自动上下料系统能提高生产效率，降低生产成本，提高昂贵设备的利用率，实现大规模灵活生产。 划片工作台如图3所示，由划片运动装置、真空吸盘和固定装置等组成。划片运动装置能够实现X/Y方向的运动和旋转运动，X/Y方向的精密丝杠平台固定设置于切割工作台平台的下方，通过移动配合激光控制系统实现半导体晶圆的划片。X/Y方向位置分辨率10 nm，最高进给速率1500 mm/min，加速度大于2m/s2，定位精度0.1 μm。X/Y方向的电机根据计算选择功率为400 W的松下A5系列低惯量型伺服电机，额定转速为3000 r/min，额定转矩为1.3 N·m。丝杠采用THK公司的DIK型单螺母滚珠丝杠，行程为500 mm。由于采用机器视觉实现自动对准，要求旋转工作台精度高、响应快、运行平稳，DD马达电气控制精度高且具有高刚性，故采用DD马达直接驱动工件台旋转。DD马达参数：额定转速2.0 r/s，重复定位精度±3″，绝对定位精度±45″，最大输出转矩30 N·m，偏差小于5 μm。 3 控制系统设计 自动激光划片机的控制系统采用“工控机+PLC” 的控制架构体系，模块化设计，即系统由主控单元和运动控制组成。主控机运行上位机软件，利用S7.Net.dll动态链接库向S7-1500 PLC发送命令和接收数据；S7-1500 PLC 与 华 太 模 块 组 成 分 布 式 IO 系统 实现激光 加 工 、上 下 料 等 输 入 / 输 出 信号 的 处理 ，利 用Halcon提供的图像处理算子实现视觉识别对准和检测等。控制系统框图如图4所示。 针对原有激光划片机存在抗干扰能力差、易出现死机等问题，本项目选用西门子S7-1500 PLC作为划片机的下位机运动核心，借助全集成自动化平台实现混合编程。S7-1500 PLC支持PROFINET、PROFIBUS、TCP/IP、OPC UA和Modbus等通信，可方便地实现与上位机软件或远程模块的安全高效通信。X/Y方向定位精度要求高，不允许有误差累计，全程500 mm累计误差不大于3 μm，选分辨率为0.25 μm的光栅尺进行位置测量，实现全闭环控制，如图5所示，控制算法采用模糊PID。 视觉对准系统如图6所示，主要由相机、镜头和光源组成。相机选用分辨率为2592像素×1944像素的黑白工业相机，远心镜头，环形光源。对准是激光刀具或运动平台的运动路径与晶圆划片“轨道”的对齐和定位，能保证划片一直沿着预定轨迹进行，对准系统是划片机实现自动化、高效率加工的基础，直接影响划片的整体精度，是激光划片的关键技术。相机采集晶圆图像后，利用Halcon模板匹配算子找到晶圆边缘，然后利用Hough算子搜索中心线，利用中心线进行角度偏差校正，完成对准操作。 4 验证分析 设计的全自动激光晶圆划片机可实现全自动上下料、自动对焦、自动划片和检测。对砷化镓（GaAs）半导体晶圆片进行划片实验，结果表明，该全自动激光 晶 圆划 片 机 的 划片 精 度 达 ± 10 μm ，划片 线宽 ≤ 0.03 mm，最大划片速度230 mm/s，可以满足半导体晶圆的划片需求，可以为进一步推广激光在全自动晶圆划片系统中的应用提供参考。 5 结束语 面对半导体不断微型化、高集成化、超精细化的发展趋势，晶圆直径不断增大，厚度越来越薄，单位面积上电路不断增加，划切道越来越小，砂轮划片机已无法完全满足需求。本文所述全自动激光晶圆划片机具有自动上下料系统和视觉对准系统，可实现多盘的全自动划切，大大提高了划片质量和效率，可以满足目前的晶圆生产需求。
摘要： 鉴于半导体不断微型化、高集成化、超精细化的发展趋势，为实现对晶圆片的高质量和高效率划片，设计了一种全自动激光晶圆划片机。该设计通过机器视觉对准系统获取划片位置，控制系统由上位机和西门子PLC组成，可实现晶圆的自动上下料、十字滑台运动和激光划片功能。实际运行表明，该设备的晶圆划片精度和效率可以满足实际生产需求，可实际应用在半导体晶圆划片生产中，具有自动化水平高和柔性好的特点。 0 引言 划片主要用于碳化硅、蓝宝石、砷化镓等材料的加工，是将半导体晶圆分割成单个芯片的工序。划片要求切缝窄、崩边小、裂纹少、无分层[1]，划片质量直接影响半导体封装成品的可靠性[2-3]。面对半导体不断微型化、高集成化、超精细化的发展趋势，晶圆直径不断增大，厚度越来越薄，使得晶圆对外力较为敏感。单位面积上集成的电路不断增加，留给分割的划片道越来越小，无法完成任意线段形状的划切，砂轮划片机已无法完全满足需求。 激光具有单色性好、方向性强、划片效率高等特点，因此激光划片目前已经成为晶圆划片的研究热点。2023年，段凌云等人研究了激光划片砷化镓晶片时加工参数激光脉冲能量、水射流压力、加工速度、水射流角度等对微槽深度、微槽宽度和材料去除率的影响[4]。2022年，许军等人通过湿法台阶刻蚀工艺在电池晶圆上做成切割槽后采用激光划片晶圆，尺寸误差小于10 μm，与金刚石砂轮划片相比具有速度快、维护周期短等优点[5]。2020年，汪于涛等人利用德国的PX100-3-GF激光器对单晶硅切割进行研究，探讨了激光能量、光斑、切缝宽度及切割次数对单晶硅切割的影响[6]。2018年，张乾等人针对激光划片机的自动化生产需求，利用图像识别和模板匹配，在激光划片机上实现晶圆的自动对位，最后通过建立网格节点的方式得出划片轨迹实现晶圆的自动识别与划片，但适应多种复杂晶圆自动对位算法的兼容性存在一定问题[7]。 激光划片机已经成为 半 导 体 行 业 中 的 重 要 设备，日本DISCO公司销售的激光划片机占据了大量的市场份额。随着半导体行业对精度和效率的要求不断提高，激光划片机需要进一步升级。为了满足半导体生产制造中对高效率、高精度、柔性化的要求，设计了一套全自动激光晶圆划片系统，配备了视觉自动对准和自动上下料系统，大大提高了划片效率和质量。 1 系统方案 全自动激光半导体划片机通过高功率激光辐照半导体晶圆表面，利用半导体材料气化或升华原理实现对砷化镓（GaAs）半导体晶圆片的自动划切。激光划片机的总体结构如图1所示。 自动激光划片机由上下料装置、激光装置、划片工作台和控制系统等组成，激光和视觉系统固定，晶圆片放在划片工作台的支架上，工作台带动晶圆片移动实现划片操作。 激光划片的工作过程：上片、对准、划片和下片等。上料吸盘机构将料盒从储料盒中推出来，通过上下料中的定位装置将料盘定位，然后通过传输装置将料盘运送到旋转工作台，旋转工作台利用真空嘴吸附固定料盘，利用视觉自动对位后，利用X/Y轴的往复运动实现自动划片。自动划片完成后下料装置将划切好的晶圆片传送至下一工站。 激光划片机是建立在激光束的聚焦和扫描技术之上，一股激光束通过聚焦透镜和扫描镜被精确聚焦到待划片的材料表面。激光束照射在材料表面，产生高温和高压，形成激光刻蚀效应，从而在材料表面刻出一条刻痕。激光划片机的主要组成部分包括激光源、聚焦透镜、扫描镜、运行工作台和控制系统等，其中激光的功率和工作频率对划片的效率和精度起着决定性作用，故采用美国PAR公司的100/25型CO2激光器，波长为10.6 μm，含有RS232接口。聚焦透镜和扫描镜则负责控制激光束的聚焦和扫描。工作台用 于 放置 待 划 切 的 半 导 体 晶 圆 ，其稳 定 性 对 划片精度具有重要影响。控制系统则负责协调各部件的工作，包括激光束的扫描路径、激光功率和工作时间等。 2 上下料与划片工作台机构设计 上下料系统如图2所示，主要包括上料装置、上下料装置、抓取装置和其他辅助装置。上料装置的运动由步进电机、传动机构和气动抓取装置实现。上下料装置利用升降机构将料盒上下移动到相应位置，由于料盒移动对精度要求不高，故采用丝杠滑块结构，步进电机带动丝杠滑块实现模块的上下直线运动。上料装置利用升降机构的运动移动放有待搬运晶圆片的料盒以适应抓取装置的取料。抓取装置由伸缩气缸、旋转气缸和吸嘴等组成，通过控制系统对步进电机、气缸和真空发生器等进行控制，实现晶圆片的自动上料。自动上下料系统能提高生产效率，降低生产成本，提高昂贵设备的利用率，实现大规模灵活生产。 划片工作台如图3所示，由划片运动装置、真空吸盘和固定装置等组成。划片运动装置能够实现X/Y方向的运动和旋转运动，X/Y方向的精密丝杠平台固定设置于切割工作台平台的下方，通过移动配合激光控制系统实现半导体晶圆的划片。X/Y方向位置分辨率10 nm，最高进给速率1500 mm/min，加速度大于2m/s2，定位精度0.1 μm。X/Y方向的电机根据计算选择功率为400 W的松下A5系列低惯量型伺服电机，额定转速为3000 r/min，额定转矩为1.3 N·m。丝杠采用THK公司的DIK型单螺母滚珠丝杠，行程为500 mm。由于采用机器视觉实现自动对准，要求旋转工作台精度高、响应快、运行平稳，DD马达电气控制精度高且具有高刚性，故采用DD马达直接驱动工件台旋转。DD马达参数：额定转速2.0 r/s，重复定位精度±3″，绝对定位精度±45″，最大输出转矩30 N·m，偏差小于5 μm。 3 控制系统设计 自动激光划片机的控制系统采用“工控机+PLC” 的控制架构体系，模块化设计，即系统由主控单元和运动控制组成。主控机运行上位机软件，利用S7.Net.dll动态链接库向S7-1500 PLC发送命令和接收数据；S7-1500 PLC 与 华 太 模 块 组 成 分 布 式 IO 系统 实现激光 加 工 、上 下 料 等 输 入 / 输 出 信号 的 处理 ，利 用Halcon提供的图像处理算子实现视觉识别对准和检测等。控制系统框图如图4所示。 针对原有激光划片机存在抗干扰能力差、易出现死机等问题，本项目选用西门子S7-1500 PLC作为划片机的下位机运动核心，借助全集成自动化平台实现混合编程。S7-1500 PLC支持PROFINET、PROFIBUS、TCP/IP、OPC UA和Modbus等通信，可方便地实现与上位机软件或远程模块的安全高效通信。X/Y方向定位精度要求高，不允许有误差累计，全程500 mm累计误差不大于3 μm，选分辨率为0.25 μm的光栅尺进行位置测量，实现全闭环控制，如图5所示，控制算法采用模糊PID。 视觉对准系统如图6所示，主要由相机、镜头和光源组成。相机选用分辨率为2592像素×1944像素的黑白工业相机，远心镜头，环形光源。对准是激光刀具或运动平台的运动路径与晶圆划片“轨道”的对齐和定位，能保证划片一直沿着预定轨迹进行，对准系统是划片机实现自动化、高效率加工的基础，直接影响划片的整体精度，是激光划片的关键技术。相机采集晶圆图像后，利用Halcon模板匹配算子找到晶圆边缘，然后利用Hough算子搜索中心线，利用中心线进行角度偏差校正，完成对准操作。 4 验证分析 设计的全自动激光晶圆划片机可实现全自动上下料、自动对焦、自动划片和检测。对砷化镓（GaAs）半导体晶圆片进行划片实验，结果表明，该全自动激光 晶 圆划 片 机 的 划片 精 度 达 ± 10 μm ，划片 线宽 ≤ 0.03 mm，最大划片速度230 mm/s，可以满足半导体晶圆的划片需求，可以为进一步推广激光在全自动晶圆划片系统中的应用提供参考。 5 结束语 面对半导体不断微型化、高集成化、超精细化的发展趋势，晶圆直径不断增大，厚度越来越薄，单位面积上电路不断增加，划切道越来越小，砂轮划片机已无法完全满足需求。本文所述全自动激光晶圆划片机具有自动上下料系统和视觉对准系统，可实现多盘的全自动划切，大大提高了划片质量和效率，可以满足目前的晶圆生产需求。
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。
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