半导体器件制造是国家各支柱产业发展的基础，是发展国民经济、信息安全、民用与军用电子产品等领域的关键。当前，包括单点引线与多点倒装的超声键合构成半导体器件制造的主要封装形式。换能系统是超声键合工艺与装备的核心执行机构，其动力学特性与能量传递过程直接决定键合质量。本课题受国家自然基金重大项目“芯片封装界面制造过程多参数影响规律与控制(50390064)”、国家973重点基础规划“高性能电子产品设计制造精微化数字化新原理和新方法”(2003CB7 16202)”等项目支持。全篇论文以提高芯片键合质量为目标，以提高换能系统工作性能与能量传递效率为核心，主要讨论了封装过程换能系统动力学行为、超声能量传递规律、以及系统优化与设计等理论与技术问题。 第一，采用等效电路方法，构建了换能系统阻抗与导纳动力学模型。基于力电类比方法建立各子部分机械阻抗，以此建立包含系统材料、尺寸、固有频率以及负载等参数的阻抗与导纳集总参数模型。基于构建的理论模型，数值计算换能系统在空载与工作条件下固有频率、阻抗与导纳等动力学特性，并在实验上给予验证。阻抗模型计算较好地解释了空载与工作下系统消耗超声能量的差异。利用阻抗与导纳模型，分析并获得了各结构参数对系统工作频率与阻抗的影响规律。 第二，建立换能系统的有限元模型，研究了换能系统振动模态与响应特性。在概括压电材料结构有限元方法的理论基础上，利用有限单元法构建[压电陶瓷-过渡段-变幅杆-键合工具-界面]整个系统的动力学仿真模型，研究系统固有模态特性与响应行为。仿真计算并获得了换能系统的工作模态，发现工作模态以轴向振动为主，同时受到非轴向振动的影响；此外，工作模态附近包含多种非轴向模态，造成换能系统的多模态与频率混叠效应。多模态响应与多频率混叠是导致系统工作性能下降的主要原因之一。建立了换能系统响应模型，对能量输入与输出关系起着预测指导作用。 第三，构建了系统的多路同步触发集成测试平台，通过电流传感器、多通道数字示波器、高频数据采集卡、激光多谱勒测振仪等获取键合过程各特性参数。基于实测数据，获得了实际键合过程系统阻抗与功率的时变特性，其中实测阻抗验证了基于等效电路方法的阻抗模型的计算结果。应用时频联合分析方法研究键合过程超声能量在时一频域的动态变化，获得了超声能量的时变特性对键合质量的影响规律，即单一、平稳的超声能量变化促成键合成功，而多谐波、无规律、杂乱的超声能量导致键合失败。 第四，利用非接触式激光多谱勒测振仪等实验手段提取不同负载条件下换能杆和键合工具末端不同方向的响应速度，从实验上获得非轴向振动对轴向工作模态的影响程度，以及多模态导致的键合工具运动轨迹。获得了多模态特性对键合质量的影响规律，即非轴向振动对轴向工作模态影响程度的增加将降低键合质量，如键合强度下降、连接面积过大、芯片倾斜等。最后剖析了多模态响应产生的原因，并提出抑制方法与建议。 第五，推导与总结了换能系统结构设计的理论依据，介绍了系统装配过程。采用模态频率灵敏度方法优化设计了系统结构，实现了系统轴向工作模态与非轴向振动模态的分离，有效地解决了系统频率混叠与多模态问题。基于整体性与对称性的结构设计思想，研制了三种类型的超声键合换能系统：63kHz引线键合换能系统、138kHz引线键合换能系统、63kHz倒装键合换能系统。性能检测结果表明，自行设计的换能系统是成功的，所依赖的理论与技术是可行的。 以上研究内容、方法与结论，对理解、分析与设计芯片键合换能系统具有指导作用，对提高与推进半导体器件制造起着基础性的意义。