编辑推荐
适读人群 :本书适合从事倒装芯片封装技术以及其他先进电子封装技术研究的工程师、科研人员和技术管理人员阅读,也可以作为电子封装相关专业高年级本科生、研究生和培训人员的教材和参考书。 倒装芯片(flip chip)封装技术自从问世以后一直在集成电路封装领域占据着重要的地位。尤其是近年来随着先进封装技术向着微型化、薄型化趋势的发展,该技术已经成为集成电路封装的主要形式。有关倒装芯片技术的书籍近年来也是层出不穷,但涉及面往往局限于单一的设计、制造技术。尚没有一本系统介绍倒装芯片技术研究发展现状、未来发展趋势以及倒装芯片设计、制造以及相关材料的书籍。而上述内容对于从事集成电路封装技术研究的学者、工程师、教师以及学生均具有重要的参考价值,本书则满足了相关从业工作者的需求。
本书深入浅出地介绍了倒装芯片技术的市场(第1章)、技术发展趋势(第2章)、设计与制造技术(第3、4、8、9章)、可靠性(第10、11章)以及封装材料(第5、6章)等。
从事该书章节撰写的人员或是来自国外倒装芯片知名公司(如Amkor技术公司、IBM公司、汉高公司等)、或是从事倒装芯片研究的知名学者。
本书由美国工程院、中国工程院双院士CPWong(汪正平)教授主编,集新颖性、实用性以及全面性为一身,对从事倒装芯片研究的各类人员均具有重要的参考价值,对于推动倒装芯片技术的普及与发展也具有重要的推动作用。
内容简介
本书由倒装芯片封装技术领域世界级专家撰写而成,系统总结了过去十几年倒装芯片封装技术的发展脉络和新成果,并对未来的发展趋势做出了展望。内容涵盖倒装芯片的市场与技术趋势、凸点技术、互连技术、下填料工艺与可靠性、导电胶应用、基板技术、芯片�卜庾耙惶寤�电路设计、倒装芯片封装的热管理和热机械可靠性问题、倒装芯片焊锡接点的界面反应和电迁移问题等。
本书适合从事倒装芯片封装技术以及其他先进电子封装技术研究的工程师、科研人员和技术管理人员阅读,也可以作为电子封装相关专业高年级本科生、研究生和培训人员的教材和参考书。
作者简介
汪正平(CP Wong)教授,美国工程院院士、中国工程院外籍院士,被誉为“现代半导体封装之父”。现任中科院深圳先进技术研究院电子封装材料方向首席科学家、香港中文大学工学院院长、美国佐治亚理工学院封装中心副主任、校董事教授,是佐治亚理工学院的两个chair?professor之一。国际电子电气工程师协会会士(IEEE?Fellow)、美国贝尔实验室高级会士(Fellow)。他拥有50多项美国专利,发表了1000多篇文章,独自或和他人一起出版了10多本专著。他曾多次获国际电子电气工程师协会、制造工程学会、贝尔实验室、美国佐治亚理工学院等颁发的特殊贡献奖。
汪正平院士长期从事电子封装研究,因几十年来在该领域的开创性贡献,被IEEE授予电子封装领域高级荣誉奖——IEEE元件、封装和制造技术奖,获得业界普遍认可。
汪正平院士是塑封技术的开拓者之一。他创新地采用硅树脂对栅控二极管交换机(GDX)进行封装研究,实现利用聚合物材料对GDX结构的密封等效封装,显著提高封装可靠性,此塑封技术克服了传统陶瓷封装重量大、工艺复杂、成本高等问题,被Intel、IBM等全面推广,目前塑封技术占世界集成电路封装市场的95%以上。他还解决了长期困扰封装界的导电胶与器件界面接触电阻不稳定问题,该创新技术在Henkel(汉高)等公司的导电胶产品中使用至今。汪院士在业界首次研发了无溶剂、高Tg的非流动性底部填充胶,简化倒装芯片封装工艺,提高器件的优良率和可靠性,被Hitachi(日立)等公司长期使用。
内页插图
目录
第1章市场趋势:过去、现在和将来1
1.1倒装芯片技术及其早期发展2
1.2晶圆凸点技术概述2
1.3蒸镀3
1.3.1模板印刷3
1.3.2电镀4
1.3.3焊坝4
1.3.4预定义结构外电镀6
1.4晶圆凸点技术总结6
1.5倒装芯片产业与配套基础架构的发展7
1.6倒装芯片市场趋势9
1.7倒装芯片的市场驱动力11
1.8从IDM到SAT的转移13
1.9环保法规对下填料、焊料、结构设计等的冲击16
1.10贴装成本及其对倒装芯片技术的影响16
参考文献16
第2章技术趋势:过去、现在和将来17
2.1倒装芯片技术的演变18
2.2一级封装技术的演变20
2.2.1热管理需求20
2.2.2增大的芯片尺寸20
2.2.3对有害物质的限制21
2.2.4RoHS指令与遵从成本23
2.2.5Sn的选择23
2.2.6焊料空洞24
2.2.7软错误与阿尔法辐射25
2.3一级封装面临的挑战26
2.3.1弱BEOL结构26
2.3.2C4凸点电迁移27
2.3.3Cu柱技术28
2.4IC技术路线图28
2.53D倒装芯片系统级封装与IC封装系统协同设计31
2.6PoP与堆叠封装32
2.6.1嵌入式芯片封装34
2.6.2折叠式堆叠封装34
2.7新出现的倒装芯片技术35
2.8总结37
参考文献37
第3章凸点制作技术40
3.1引言41
3.2材料与工艺41
3.3凸点技术的最新进展57
3.3.1低成本焊锡凸点工艺57
3.3.2纳米多孔互连59
3.3.3倾斜微凸点59
3.3.4细节距压印凸点60
3.3.5液滴微夹钳焊锡凸点60
3.3.6碳纳米管(CNT)凸点62
参考文献63
第4章倒装芯片互连:过去、现在和将来66
4.1倒装芯片互连技术的演变67
4.1.1高含铅量焊锡接点68
4.1.2芯片上高含铅量焊料与层压基板上共晶焊料的接合68
4.1.3无铅焊锡接点69
4.1.4铜柱接合70
4.2组装技术的演变71
4.2.1晶圆减薄与晶圆切割71
4.2.2晶圆凸点制作72
4.2.3助焊剂及其清洗74
4.2.4回流焊与热压键合75
4.2.5底部填充与模塑76
4.2.6质量保证措施78
4.3C4NP技术79
4.3.1C4NP晶圆凸点制作工艺79
4.3.2模具制作与焊料转移81
4.3.3改进晶圆凸点制作良率81
4.3.4C4NP的优点:对多种焊料合金的适应性83
4.4Cu柱凸点制作83
4.5基板凸点制作技术86
4.6倒装芯片中的无铅焊料90
4.6.1无铅焊料的性能91
4.6.2固化、微结构与过冷现象93
4.7倒装芯片中无铅焊料的界面反应93
4.7.1凸点下金属化层93
4.7.2基板金属化层95
4.7.3无铅焊锡接点的界面反应96
4.8倒装芯片互连结构的可靠性98
4.8.1热疲劳可靠性98
4.8.2跌落冲击可靠性99
4.8.3芯片封装相互作用:组装中层间电介质开裂101
4.8.4电迁移可靠性104
4.8.5锡疫109
4.9倒装芯片技术的发展趋势109
4.9.1传统微焊锡接点110
4.9.2金属到金属的固态扩散键合113
4.10结束语114
参考文献115
第5章倒装芯片下填料:材料、工艺与可靠性123
5.1引言124
5.2传统下填料与工艺125
5.3下填料的材料表征127
5.3.1差示扫描量热法测量固化特性127
5.3.2差示扫描量热法测量玻璃转化温度129
5.3.3采用热机械分析仪测量热膨胀系数130
5.3.4采用动态机械分析仪测量动态模量131
5.3.5采用热重力分析仪测量热稳定性133
5.3.6弯曲实验133
5.3.7黏度测量133
5.3.8下填料与芯片钝化层粘接强度测量134
5.3.9吸湿率测量134
5.4下填料对倒装芯片封装可靠性的影响134
5.4.1钝化层的影响136
5.4.2黏附性退化与85/85时效时间137
5.4.3采用偶联剂改善粘接的水解稳定性140
5.5底部填充工艺面临的挑战141
5.6非流动型下填料143
5.7模塑底部填充148
5.8晶圆级底部填充149
5.9总结153
参考文献154
第6章导电胶在倒装芯片中的应用159
6.1引言160
6.2各向异性导电胶/导电膜160
6.2.1概述160
6.2.2分类160
6.2.3胶基体161
6.2.4导电填充颗粒161
6.2.5ACA/ACF在倒装芯片中的应用162
6.2.6ACA/ACF互连的失效机理167
6.2.7纳米ACA/ACF最新进展168
6.3各向同性导电胶173
6.3.1引言173
6.3.2ICA在倒装芯片中的应用178
6.3.3ICA在先进封装中的应用184
6.3.4ICA互连点的高频性能187
6.3.5ICA互连点的可靠性189
6.3.6纳米ICA的最新进展191
6.4用于倒装芯片的非导电胶194
6.4.1低热膨胀系数NCA194
6.4.2NCA在细节距柔性基板芯片封装中的应用196
6.4.3快速固化NCA196
6.4.4柔性电路板中NCA与ACA对比197
参考文献197
第7章基板技术205
7.1引言206
7.2基板结构分类207
7.2.1顺序增层结构207
7.2.2Z向堆叠结构208
7.3顺序增层基板208
7.3.1工艺流程208
7.3.2导线210
7.3.3微通孔217
7.3.4焊盘225
7.3.5芯片封装相互作用231
7.3.6可靠性239
7.3.7历史里程碑245
7.4Z向堆叠基板248
7.4.1采用图形转移工艺的Z向堆叠基板248
7.4.2任意层导通孔基板249
7.4.3埋嵌元件基板250
7.4.4PTFE材料基板253
7.5挑战254
7.5.1无芯基板254
7.5.2沟槽基板255
7.5.3超低热膨胀系数基板257
7.5.4堆叠芯片基板258
7.5.5光波导基板260
7.6陶瓷基板261
7.7路线图262
7.7.1日本电子与信息技术工业协会路线图262
7.7.2国际半导体技术路线图263
7.8总结264
参考文献264
第8章IC封装系统集成设计266
8.1集成的芯片封装系统268
8.1.1引言268
8.1.2设计探索269
8.1.3模拟与分析决策273
8.1.4ICPS设计问题274
8.2去耦电容插入276
8.2.1引言276
8.2.2电学模型278
8.2.3阻抗矩阵及其增量计算280
8.2.4噪声矩阵282
8.2.5基于模拟退火算法的去耦电容插入282
8.2.6基于灵敏度分析算法的去耦电容插入286
8.3TSV 3D堆叠296
8.3.13D IC堆叠技术296
8.3.2挑战298
8.3.3解决方法302
8.4总结316
参考文献316
第9章倒装芯片封装的热管理323
9.1引言324
9.2理论基础325
9.2.1传热理论325
9.2.2电热类比模型327
9.3热管理目标328
9.4芯片与封装水平的热管理330
9.4.1热管理示例330
9.4.2芯片中的热点331
9.4.3热管理方法336
9.5系统级热管理338
9.5.1热管理示例338
9.5.2热管理方法340
9.5.3新型散热技术348
9.6热测量与仿真357
9.6.1封装温度测量358
9.6.2温度测量设备与方法358
9.6.3温度测量标准359
9.6.4简化热模型359
9.6.5有限元/计算流体力学仿真360
参考文献362
第10章倒装芯片封装的热机械可靠性367
10.1引言368
10.2倒装芯片组件的热变形369
10.2.1连续层合板模型370
10.2.2自由热变形371
10.2.3基于双层材料平板模型的芯片应力评估372
10.2.4芯片封装相互作用最小化374
10.2.5总结377
10.3倒装芯片组装中焊锡凸点的可靠性377
10.3.1焊锡凸点的热应变测量377
10.3.2焊锡材料的本构方程378
10.3.3焊锡接点的可靠性仿真384
10.3.4下填料粘接强度对焊锡凸点可靠性的影响387
10.3.5总结389
参考文献389
第11章倒装芯片焊锡接点的界面反应与电迁移391
11.1 引言392
11.2无铅焊料与基板的界面反应393
11.2.1回流过程中的溶解与界面反应动力学393
11.2.2无铅焊料与Cu基焊盘的界面反应397
11.2.3无铅焊料与镍基焊盘的界面反应398
11.2.4贯穿焊锡接点的Cu和Ni交叉相互作用403
11.2.5与其他活泼元素的合金化效应405
11.2.6小焊料体积的影响409
11.3倒装芯片焊锡接点的电迁移412
11.3.1电迁移基础413
11.3.2电流对焊料的作用及其引发的失效机理415
11.3.3电流对凸点下金属化层(UBM)的作用及其引发的失效机理421
11.3.4倒装芯片焊锡接点的平均无故障时间426
11.3.5减缓电迁移的策略429
11.4新问题431
参考文献431
附录439
附录A量度单位换算表440
附录B缩略语表443
前言/序言
原著前言
据我们所知,倒装芯片封装技术类的图书大部分都是在10年前编辑和出版的,比较经典的包括刘汉诚(John H. Lau)博士主编的《低成本倒装芯片技术》(Mc Graw Hill出版,2006年4月化学工业出版社翻译出版 )。那时,倒装芯片技术是“奢侈品”,只用于如大型机和工作站之类的高端、高性能产品。但是,在过去的10年里,技术的进步使得低成本、高可靠性倒装芯片封装在4C(计算机、通信、消费类和汽车电子)产品以及其他电子产品中的应用激增。随着我们进入电子消费时代,对倒装芯片的需求将进一步增长,以满足消费者对性能、尺寸、成本和环境兼容性等永不满足的需求。
过去10年里发生的重要变化使得今天的倒装芯片封装与以往大不相同。随着摩尔定律芯片的介电层从非低k演进到低k,由于低k介电层机械强度较弱,芯片-封装相互作用必须在产品化以前加以解决。而且,随着半导体产业的技术节点从45nm转向32nm及以下,芯片-封装相互作用问题更加突出。除此以外,欧共体颁布的、2006年开始实行的RoHS强制性标准促使全球半导体业(包括倒装芯片制造商和提供商)从含铅封装转向铅、卤素封装。过去的10年里,像倒装芯片这样的先进封装可以取得高溢价,而在如今的消费时代,为取得价格优势,倒装芯片正在被其他低成本的封装取代。这种大趋势促使制造商开发低成本的倒装芯片结构、工艺、材料和设备。而且,随着系统级功能集成进程加速,整个半导体工业也转向在芯片、封装、模组、板级/系统级中采用更细的节距;在特定应用中,甚至采用具有更细节距的较大尺寸倒装芯片。为支撑倒装芯片的增长,伴生的基板、下填料、互连、设计、仿真和可靠性设计等技术都在持续演进。由于上述原因,具有最高密度的倒装芯片封装技术也在不断再创新,以应对日益增长的对性能、成本、尺寸、环保等的要求。展望未来,随着系统级功能集成加速,倒装芯片封装技术的发展也将加速,特别是对于手机、便携式电脑等移动电子产品。
我们坚信,撰写一本能反映过去10年倒装芯片封装技术进展的新书是适时的,而且能够为相关领域的研究人员提供有价值的信息。《先进倒装芯片封装技术》就是这样的一本书,它论述了与倒装球栅阵列和倒装晶圆级封装相关技术的过去、现在和将来的演变趋势。
Ho-Ming Tong(唐和明),日月光集团公司
Yi-Shao Lai(赖逸少),日月光集团公司
C. P. Wong(汪正平),香港中文大学
《先进倒装芯片封装技术》 内容简介: 本书系统阐述了当前半导体封装领域中最具发展前景的先进倒装芯片(Flip-Chip)封装技术。从基础理论到前沿应用,本书深入剖析了倒装芯片封装的关键技术环节、材料选择、工艺流程、可靠性设计与测试,以及在各个领域的创新应用。本书旨在为从事半导体封装研发、设计、制造、测试及相关领域研究的专业人士、高校师生提供一本权威、全面、实用的参考指南。 第一章:倒装芯片封装技术概述 本章首先追溯了半导体封装技术的发展历程,重点介绍了倒装芯片封装作为一种高密度、高性能封装方式的出现及其重要性。详细阐述了倒装芯片封装的定义、基本原理,并与传统的引线键合(Wire Bonding)封装进行了对比,突出了倒装芯片在信号传输速度、散热性能、尺寸小型化等方面的显著优势。接着,本章分析了倒装芯片封装的应用领域,包括高性能计算、人工智能、移动通信、汽车电子、医疗设备等,强调了其在推动电子产品迭代升级中的核心作用。最后,对倒装芯片封装的未来发展趋势进行了展望,包括对更精细凸点结构、先进互连材料、三维集成封装等方面的预测。 第二章:倒装芯片的关键结构与设计 本章将深入探讨倒装芯片封装的核心构成要素及其设计考量。首先,详细介绍了芯片与基板之间的互连结构——凸点(Bumps),包括各种凸点材料(如锡铅焊料、纯锡、金、铜等)的特性、形成方法(如电镀、蒸镀、球压焊等)以及不同类型凸点的优缺点。接着,重点讲解了倒装芯片封装中的基板(Substrate)设计,包括有机基板(如BT、ABF、M-SAP等)和陶瓷基板的材料选择、布线密度、热膨胀系数匹配、高频信号处理等关键设计原则。此外,本章还将深入研究芯片端的凸点设计,包括凸点尺寸、间距、阵列布局、凸点抗移设计等,以及如何通过优化设计来提高连接的可靠性和电气性能。最后,本章还会探讨如何进行热设计,包括散热器、导热材料的应用,以及如何通过结构设计来优化热量传递路径,确保芯片在工作过程中的稳定性和寿命。 第三章:倒装芯片封装的制造工艺 本章将详尽介绍倒装芯片封装的典型制造流程,并深入剖析每个工艺环节的关键技术。首先,从芯片准备开始,详细讲解了晶圆切割、清洗、表面处理等预处理步骤。接着,重点阐述了凸点形成工艺,包括不同凸点材料的沉积、成型、光刻等关键步骤,以及如何控制凸点的均匀性和尺寸精度。然后,详细介绍了倒装芯片的贴装(Die Attach)工艺,包括焊料凸点回流焊、各向异性导电胶(ACF)贴装、再分布层(RDL)形成等,并重点分析了不同贴装方法的优缺点和适用场景。对于非焊料凸点(Non-Solder Bumps)的封装,如铜柱(Copper Pillar)与焊球(Solder Ball)组合,本章也将进行详细介绍。此外,本章还会讲解如何进行封装体的底部填充(Underfill)工艺,包括底部填充材料的选择(如环氧树脂)、填充方法(如毛细管流、压力填充)以及其在提高应力缓冲、可靠性方面的作用。最后,本章还会涉及封装体的固化、清洗、电学测试、外观检查等后续工艺步骤。 第四章:先进倒装芯片封装材料 本章聚焦于倒装芯片封装中各类关键材料的性能、选择与应用。首先,将深入探讨焊料凸点材料,包括不同合金成分(如Sn-Ag-Cu, Sn-Pb)的熔点、强度、导电性、导热性等特性,以及其在满足RoHS指令要求下的应用。接着,将重点介绍用于芯片与基板之间互连的非焊料凸点材料,如铜柱、镍柱等,并分析其与焊球结合的优势。对于底部填充材料,本章将详细介绍其组成、特性,如粘度、固化速度、热膨胀系数、力学性能等,以及如何选择合适的底部填充剂来满足不同封装应用的需求。此外,本章还将广泛介绍各类基板材料,包括有机基板(如BT树脂、ABF、M-SAP板)和陶瓷基板(如Alumina, AlN, 玻璃陶瓷)的性能差异、加工工艺以及在高频、高功率应用中的选择依据。最后,本章还将提及封装体外壳材料、导热界面材料(TIM)等辅助材料,并分析它们在提高产品整体性能和可靠性中的作用。 第五章:倒装芯片封装的可靠性设计与测试 本章将系统介绍倒装芯片封装的可靠性设计原则、关键失效模式以及相关的测试方法。首先,将深入分析倒装芯片封装可能面临的各种失效模式,包括热疲劳(Tin Whiskers、CTE失配引起的热应力)、机械应力(跌落、振动、弯曲)、电迁移、腐蚀、吸湿性问题等,并解释这些失效模式的产生机理。接着,本章将重点阐述如何通过设计来提高封装的可靠性,包括凸点设计优化、基板设计选择、底部填充的合理应用、应力缓冲层的设计、以及考虑封装体与PCB的匹配性。随后,本章将详细介绍各类可靠性测试方法,包括高温储存试验(High-Temperature Storage, HTS)、高温高湿试验(High-Temperature and Humidity Bias, HTHB)、温度循环试验(Temperature Cycling, TC)、热冲击试验(Thermal Shock, TS)、跌落试验(Drop Test)、振动试验(Vibration Test)、加速寿命试验(Accelerated Life Test, ALT)等,并解释各种测试的目的、标准和数据分析方法。最后,本章还将介绍一些先进的无损检测(Non-Destructive Testing, NDT)技术,如X-ray、超声波探伤等,在失效分析和质量控制中的应用。 第六章:先进倒装芯片封装在不同领域的应用 本章将聚焦于倒装芯片封装技术在各个高科技领域的创新应用。首先,将在高性能计算(HPC)和人工智能(AI)领域,探讨倒装芯片如何满足CPU、GPU、FPGA等核心器件对高性能、高密度互连和优异散热的需求,并介绍其在服务器、数据中心、AI加速器等产品中的应用案例。接着,将在移动通信领域,展示倒装芯片封装如何在5G基站、智能手机的射频前端、基带处理器等关键模块中实现小型化、高集成度和高频信号的可靠传输。在汽车电子领域,将介绍倒装芯片在车载信息娱乐系统、自动驾驶传感器、动力总成控制单元等应用中,如何满足严苛的工作环境要求和高可靠性标准。此外,本章还将涵盖倒装芯片在医疗电子(如高精度成像设备、植入式医疗器械)、航空航天(如高可靠性、耐环境性电子设备)以及物联网(IoT)等新兴领域的应用,并分析其在这些领域面临的挑战与机遇。 第七章:倒装芯片封装的未来发展趋势 本章将展望倒装芯片封装技术的未来发展方向,并探讨新兴技术和潜在的创新点。首先,将深入探讨微凸点(Micro-bumps)和纳米凸点(Nano-bumps)技术的发展,以及其在实现更高密度互连和更小型化封装方面的潜力。接着,将讨论三维集成封装(3D IC Integration)与倒装芯片技术的融合,包括Chiplet、3D Stacking等技术如何通过倒装芯片实现多芯片的垂直堆叠和横向互连,从而构建高性能、高集成度的系统级封装(SiP)。此外,本章还将关注先进互连材料的研发,如更低介电常数材料、高导热材料、以及新型导电胶等,以及它们对提高封装性能的影响。最后,本章还将对倒装芯片封装在可持续发展、绿色制造以及人工智能辅助设计和制造等方面的未来发展进行展望,为行业未来的研究和技术突破提供启示。 通过以上章节的系统阐述,本书力求为读者构建一个清晰、完整、深入的倒装芯片封装技术知识体系,使其能够更好地理解、应用和创新这一关键的半导体封装技术,从而推动电子产业的持续发展。