电子封装技术丛书--先进倒装芯片封装技术

本书由倒装芯片封装技术领域*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*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，芯片封装一体化电路设计，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。

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。

第1章市场趋势：过去，现在和将来11.1倒装芯片技术及其早期发展21.2晶圆凸点技术概述21.3蒸镀31.3.1模板印刷31.3.2电镀41.3.3焊坝41.3.4预定义结构外电镀61.4晶圆凸点技术总结61.5倒装芯片产业与配套基础架构的发展71.6倒装芯片市场趋势91.7倒装芯片的市场驱动力111.8从IDM到SAT的转移131.9环保法规对下填料，焊料，结构设计等的冲击161.10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172.1倒装芯片技术的演变182.2一级封装技术的演变202.2.1热管理需求202.2.2增大的芯片尺寸202.2.3对有害物质的限制212.2.4RoHS指令与遵从成本232.2.5Sn的选择232.2.6焊料空洞242.2.7软错误与阿尔法辐射252.3一级封装面临的挑战262.3.1弱BEOL结构262.3.2C4凸点电迁移272.3.3Cu柱技术282.4IC技术路线图282.53D倒装芯片系统级封装与IC封装系统协同设计312.6PoP与堆叠封装322.6.1嵌入式芯片封装342.6.2折叠式堆叠封装342.7新出现的倒装芯片技术352.8总结37参考文献37第3章凸点制作技术403.1引言413.2材料与工艺413.3凸点技术的最新进展573.3.1低成本焊锡凸点工艺573.3.2纳米多孔互连593.3.3倾斜微凸点593.3.4细节距压印凸点603.3.5液滴微夹钳焊锡凸点603.3.6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664.1倒装芯片互连技术的演变674.1.1高含铅量焊锡接点684.1.2芯片上高含铅量焊料与层压基板上共晶焊料的接合684.1.3无铅焊锡接点694.1.4铜柱接合704.2组装技术的演变714.2.1晶圆减薄与晶圆切割714.2.2晶圆凸点制作724.2.3助焊剂及其清洗744.2.4回流焊与热压键合754.2.5底部填充与模塑764.2.6质量保证措施784.3C4NP技术794.3.1C4NP晶圆凸点制作工艺794.3.2模具制作与焊料转移814.3.3改进晶圆凸点制作良率814.3.4C4NP的优点：对多种焊料合金的适应性834.4Cu柱凸点制作834.5基板凸点制作技术864.6倒装芯片中的无铅焊料904.6.1无铅焊料的性能914.6.2固化，微结构与过冷现象934.7倒装芯片中无铅焊料的界面反应934.7.1凸点下金属化层934.7.2基板金属化层954.7.3无铅焊锡接点的界面反应964.8倒装芯片互连结构的可靠性984.8.1热疲劳可靠性984.8.2跌落冲击可靠性994.8.3芯片封装相互作用：组装中层间电介质开裂1014.8.4电迁移可靠性1044.8.5锡疫1094.9倒装芯片技术的发展趋势1094.9.1传统微焊锡接点1104.9.2金属到金属的固态扩散键合1134.10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1235.1引言1245.2传统下填料与工艺1255.3下填料的材料表征1275.3.1差示扫描量热法测量固化特性1275.3.2差示扫描量热法测量玻璃转化温度1295.3.3采用热机械分析仪测量热膨胀系数1305.3.4采用动态机械分析仪测量动态模量1315.3.5采用热重力分析仪测量热稳定性1335.3.6弯曲实验1335.3.7黏度测量1335.3.8下填料与芯片钝化层粘接强度测量1345.3.9吸湿率测量1345.4下填料对倒装芯片封装可靠性的影响1345.4.1钝化层的影响1365.4.2黏附性退化与85/85时效时间1375.4.3采用偶联剂改善粘接的水解稳定性1405.5底部填充工艺面临的挑战1415.6非流动型下填料1435.7模塑底部填充1485.8晶圆级底部填充1495.9总结153参考文献154第6章导电胶在倒装芯片中的应用1596.1引言1606.2各向异性导电胶/导电膜1606.2.1概述1606.2.2分类1606.2.3胶基体1616.2.4导电填充颗粒1616.2.5ACA/ACF在倒装芯片中的应用1626.2.6ACA/ACF互连的失效机理1676.2.7纳米ACA/ACF最新进展1686.3各向同性导电胶1736.3.1引言1736.3.2ICA在倒装芯片中的应用1786.3.3ICA在先进封装中的应用1846.3.4ICA互连点的高频性能1876.3.5ICA互连点的可靠性1896.3.6纳米ICA的最新进展1916.4用于倒装芯片的非导电胶1946.4.1低热膨胀系数NCA1946.4.2NCA在细节距柔性基板芯片封装中的应用1966.4.3快速固化NCA1966.4.4柔性电路板中NCA与ACA对比197参考文献197第7章基板技术2057.1引言2067.2基板结构分类2077.2.1顺序增层结构2077.2.2Z向堆叠结构2087.3顺序增层基板2087.3.1工艺流程2087.3.2导线2107.3.3微通孔2177.3.4焊盘2257.3.5芯片封装相互作用2317.3.6可靠性2397.3.7历史里程碑2457.4Z向堆叠基板2487.4.1采用图形转移工艺的Z向堆叠基板2487.4.2任意层导通孔基板2497.4.3埋嵌元件基板2507.4.4PTFE材料基板2537.5挑战2547.5.1无芯基板2547.5.2沟槽基板2557.5.3超低热膨胀系数基板2577.5.4堆叠芯片基板2587.5.5光波导基板2607.6陶瓷基板2617.7路线图2627.7.1日本电子与信息技术工业协会路线图2627.7.2国际半导体技术路线图2637.8总结264参考文献264第8章IC封装系统集成设计2668.1集成的芯片封装系统2688.1.1引言2688.1.2设计探索2698.1.3模拟与分析决策2738.1.4ICPS设计问题2748.2去耦电容插入2768.2.1引言2768.2.2电学模型2788.2.3阻抗矩阵及其增量计算2808.2.4噪声矩阵2828.2.5基于模拟退火算法的去耦电容插入2828.2.6基于灵敏度分析算法的去耦电容插入2868.3TSV 3D堆叠2968.3.13D IC堆叠技术2968.3.2挑战2988.3.3解决方法3028.4总结316参考文献316第9章倒装芯片封装的热管理3239.1引言3249.2理论基础3259.2.1传热理论3259.2.2电热类比模型3279.3热管理目标3289.4芯片与封装水平的热管理3309.4.1热管理示例3309.4.2芯片中的热点3319.4.3热管理方法3369.5系统级热管理3389.5.1热管理示例3389.5.2热管理方法3409.5.3新型散热技术3489.6热测量与仿真3579.6.1封装温度测量3589.6.2温度测量设备与方法3589.6.3温度测量标准3599.6.4简化热模型3599.6.5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36710.1引言36810.2倒装芯片组件的热变形36910.2.1连续层合板模型37010.2.2自由热变形37110.2.3基于双层材料平板模型的芯片应力评估37210.2.4芯片封装相互作用最小化37410.2.5总结37710.3倒装芯片组装中焊锡凸点的可靠性37710.3.1焊锡凸点的热应变测量37710.3.2焊锡材料的本构方程37810.3.3焊锡接点的可靠性仿真38410.3.4下填料粘接强度对焊锡凸点可靠性的影响38710.3.5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39111.1 引言39211.2无铅焊料与基板的界面反应39311.2.1回流过程中的溶解与界面反应动力学39311.2.2无铅焊料与Cu基焊盘的界面反应39711.2.3无铅焊料与镍基焊盘的界面反应39811.2.4贯穿焊锡接点的Cu和Ni交叉相互作用40311.2.5与其他活泼元素的合金化效应40511.2.6小焊料体积的影响40911.3倒装芯片焊锡接点的电迁移41211.3.1电迁移基础41311.3.2电流对焊料的作用及其引发的失效机理41511.3.3电流对凸点下金属化层（UBM）的作用及其引发的失效机理42111.3.4倒装芯片焊锡接点的平均无故障时间42611.3.5减缓电迁移的策略42911.4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