本書由倒裝芯片封裝技術(shù)領(lǐng)域*專家撰寫而成,系統(tǒng)總結(jié)了過去十幾年倒裝芯片封裝技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)和*成果,并對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)做出了展望。內(nèi)容涵蓋倒裝芯片的市場(chǎng)與技術(shù)趨勢(shì),凸點(diǎn)技術(shù),互連技術(shù),下填料工藝與可靠性,導(dǎo)電膠應(yīng)用,基板技術(shù),芯片封裝一體化電路設(shè)計(jì),倒裝芯片封裝的熱管理和熱機(jī)械可靠性問題,倒裝芯片焊錫接點(diǎn)的界面反應(yīng)和電遷移問題等。本書適合從事倒裝芯片封裝技術(shù)以及其他先進(jìn)電子封裝技術(shù)研究的工程師,科研人員和技術(shù)管理人員閱讀,也可以作為電子封裝相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生,研究生和培訓(xùn)人員的教材和參考書。
倒裝芯片(flip chip)封裝技術(shù)自從問世以后一直在集成電路封裝領(lǐng)域占據(jù)著重要的地位。尤其是近年來隨著先進(jìn)封裝技術(shù)向著微型化,薄型化趨勢(shì)的發(fā)展,該技術(shù)已經(jīng)成為集成電路封裝的主要形式。有關(guān)倒裝芯片技術(shù)的書籍近年來也是層出不窮,但涉及面往往局限于單一的設(shè)計(jì),制造技術(shù)。尚沒有一本系統(tǒng)介紹倒裝芯片技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀,未來發(fā)展趨勢(shì)以及倒裝芯片設(shè)計(jì),制造以及相關(guān)材料的書籍。而上述內(nèi)容對(duì)于從事集成電路封裝技術(shù)研究的學(xué)者,工程師,教師以及學(xué)生均具有重要的參考價(jià)值,本書則滿足了相關(guān)從業(yè)工作者的需求。 本書深入淺出地介紹了倒裝芯片技術(shù)的市場(chǎng)(第1章),技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)(第2章),設(shè)計(jì)與制造技術(shù)(第3,4,8,9章),可靠性(第10,11章)以及封裝材料(第5,6章)等。從事該書章節(jié)撰寫的人員或是來自國(guó)外倒裝芯片知名公司(如Amkor技術(shù)公司,IBM公司,漢高公司等),或是從事倒裝芯片研究的知名學(xué)者。本書由美國(guó)工程院,中國(guó)工程院雙院士CPWong(汪正平)教授主編,集新穎性,實(shí)用性以及全面性為一身,對(duì)從事倒裝芯片研究的各類人員均具有重要的參考價(jià)值,對(duì)于推動(dòng)倒裝芯片技術(shù)的普及與發(fā)展也具有重要的推動(dòng)作用。
原著前言據(jù)我們所知,倒裝芯片封裝技術(shù)類的圖書大部分都是在10年前編輯和出版的,比較經(jīng)典的包括劉漢誠(chéng)(John H. Lau)博士主編的《低成本倒裝芯片技術(shù)》(Mc Graw Hill出版,2006年4月化學(xué)工業(yè)出版社翻譯出版 )。那時(shí),倒裝芯片技術(shù)是奢侈品,只用于如大型機(jī)和工作站之類的高端,高性能產(chǎn)品。但是,在過去的10年里,技術(shù)的進(jìn)步使得低成本,高可靠性倒裝芯片封裝在4C(計(jì)算機(jī),通信,消費(fèi)類和汽車電子)產(chǎn)品以及其他電子產(chǎn)品中的應(yīng)用激增。隨著我們進(jìn)入電子消費(fèi)時(shí)代,對(duì)倒裝芯片的需求將進(jìn)一步增長(zhǎng),以滿足消費(fèi)者對(duì)性能,尺寸,成本和環(huán)境兼容性等永不滿足的需求。過去10年里發(fā)生的重要變化使得今天的倒裝芯片封裝與以往大不相同。隨著摩爾定律芯片的介電層從非低k演進(jìn)到低k,由于低k介電層機(jī)械強(qiáng)度較弱,芯片-封裝相互作用必須在產(chǎn)品化以前加以解決。而且,隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)從45nm轉(zhuǎn)向32nm及以下,芯片-封裝相互作用問題更加突出。除此以外,歐共體頒布的,2006年開始實(shí)行的RoHS強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)促使全球半導(dǎo)體業(yè)(包括倒裝芯片制造商和提供商)從含鉛封裝轉(zhuǎn)向無鉛,無鹵素封裝。過去的10年里,像倒裝芯片這樣的先進(jìn)封裝可以取得高溢價(jià),而在如今的消費(fèi)時(shí)代,為取得價(jià)格優(yōu)勢(shì),倒裝芯片正在被其他低成本的封裝取代。這種大趨勢(shì)促使制造商開發(fā)低成本的倒裝芯片結(jié)構(gòu),工藝,材料和設(shè)備。而且,隨著系統(tǒng)級(jí)功能集成進(jìn)程加速,整個(gè)半導(dǎo)體工業(yè)也轉(zhuǎn)向在芯片,封裝,模組,板級(jí)/系統(tǒng)級(jí)中采用更細(xì)的節(jié)距,在特定應(yīng)用中,甚至采用具有更細(xì)節(jié)距的較大尺寸倒裝芯片。為支撐倒裝芯片的增長(zhǎng),伴生的基板,下填料,互連,設(shè)計(jì),仿真和可靠性設(shè)計(jì)等技術(shù)都在持續(xù)演進(jìn)。由于上述原因,具有最高密度的倒裝芯片封裝技術(shù)也在不斷再創(chuàng)新,以應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的對(duì)性能,成本,尺寸,環(huán)保等的要求。展望未來,隨著系統(tǒng)級(jí)功能集成加速,倒裝芯片封裝技術(shù)的發(fā)展也將加速,特別是對(duì)于手機(jī),便攜式電腦等移動(dòng)電子產(chǎn)品。我們堅(jiān)信,撰寫一本能反映過去10年倒裝芯片封裝技術(shù)進(jìn)展的新書是適時(shí)的,而且能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域的研究人員提供有價(jià)值的信息!断冗M(jìn)倒裝芯片封裝技術(shù)》就是這樣的一本書,它論述了與倒裝球柵陣列和倒裝晶圓級(jí)封裝相關(guān)技術(shù)的過去,現(xiàn)在和將來的演變趨勢(shì)。Ho-Ming Tong(唐和明),日月光集團(tuán)公司Yi-Shao Lai(賴逸少),日月光集團(tuán)公司C. P. Wong(汪正平),香港中文大學(xué)
汪正平(CP Wong)教授,美國(guó)工程院院士,中國(guó)工程院外籍院士,被譽(yù)為現(xiàn)代半導(dǎo)體封裝之父,F(xiàn)任中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院電子封裝材料方向首席科學(xué)家,香港中文大學(xué)工學(xué)院院長(zhǎng),美國(guó)佐治亞理工學(xué)院封裝中心副主任,校董事教授,是佐治亞理工學(xué)院的兩個(gè)chair?professor之一。國(guó)際電子電氣工程師協(xié)會(huì)會(huì)士(IEEE?Fellow),美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室高級(jí)會(huì)士(Fellow)。他擁有50多項(xiàng)美國(guó)專利,發(fā)表了1000多篇文章,獨(dú)自或和他人一起出版了10多本專著。他曾多次獲國(guó)際電子電氣工程師協(xié)會(huì),制造工程學(xué)會(huì),貝爾實(shí)驗(yàn)室,美國(guó)佐治亞理工學(xué)院等頒發(fā)的特殊貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。 汪正平院士長(zhǎng)期從事電子封裝研究,因幾十年來在該領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn),被IEEE授予電子封裝領(lǐng)域高級(jí)榮譽(yù)獎(jiǎng)IEEE元件,封裝和制造技術(shù)獎(jiǎng),獲得業(yè)界普遍認(rèn)可。 汪正平院士是塑封技術(shù)的開拓者之一。他創(chuàng)新地采用硅樹脂對(duì)柵控二極管交換機(jī)(GDX)進(jìn)行封裝研究,實(shí)現(xiàn)利用聚合物材料對(duì)GDX結(jié)構(gòu)的密封等效封裝,顯著提高封裝可靠性,此塑封技術(shù)克服了傳統(tǒng)陶瓷封裝重量大,工藝復(fù)雜,成本高等問題,被Intel,IBM等全面推廣,目前塑封技術(shù)占世界集成電路封裝市場(chǎng)的95%以上。他還解決了長(zhǎng)期困擾封裝界的導(dǎo)電膠與器件界面接觸電阻不穩(wěn)定問題,該創(chuàng)新技術(shù)在Henkel(漢高)等公司的導(dǎo)電膠產(chǎn)品中使用至今。汪院士在業(yè)界首次研發(fā)了無溶劑,高Tg的非流動(dòng)性底部填充膠,簡(jiǎn)化倒裝芯片封裝工藝,提高器件的優(yōu)良率和可靠性,被Hitachi(日立)等公司長(zhǎng)期使用。
第1章市場(chǎng)趨勢(shì):過去,現(xiàn)在和將來1
1.1倒裝芯片技術(shù)及其早期發(fā)展2
1.2晶圓凸點(diǎn)技術(shù)概述2
1.3蒸鍍3
1.3.1模板印刷3
1.3.2電鍍4
1.3.3焊壩4
1.3.4預(yù)定義結(jié)構(gòu)外電鍍6
1.4晶圓凸點(diǎn)技術(shù)總結(jié)6
1.5倒裝芯片產(chǎn)業(yè)與配套基礎(chǔ)架構(gòu)的發(fā)展7
1.6倒裝芯片市場(chǎng)趨勢(shì)9
1.7倒裝芯片的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力11
1.8從IDM到SAT的轉(zhuǎn)移13
1.9環(huán)保法規(guī)對(duì)下填料,焊料,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等的沖擊16
1.10貼裝成本及其對(duì)倒裝芯片技術(shù)的影響16
參考文獻(xiàn)16
第2章技術(shù)趨勢(shì):過去,現(xiàn)在和將來17
2.1倒裝芯片技術(shù)的演變18
2.2一級(jí)封裝技術(shù)的演變20
2.2.1熱管理需求20
2.2.2增大的芯片尺寸20
2.2.3對(duì)有害物質(zhì)的限制21
2.2.4RoHS指令與遵從成本23
2.2.5Sn的選擇23
2.2.6焊料空洞24
2.2.7軟錯(cuò)誤與阿爾法輻射25
2.3一級(jí)封裝面臨的挑戰(zhàn)26
2.3.1弱BEOL結(jié)構(gòu)26
2.3.2C4凸點(diǎn)電遷移27
2.3.3Cu柱技術(shù)28
2.4IC技術(shù)路線圖28
2.53D倒裝芯片系統(tǒng)級(jí)封裝與IC封裝系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)31
2.6PoP與堆疊封裝32
2.6.1嵌入式芯片封裝34
2.6.2折疊式堆疊封裝34
2.7新出現(xiàn)的倒裝芯片技術(shù)35
2.8總結(jié)37
參考文獻(xiàn)37
第3章凸點(diǎn)制作技術(shù)40
3.1引言41
3.2材料與工藝41
3.3凸點(diǎn)技術(shù)的最新進(jìn)展57
3.3.1低成本焊錫凸點(diǎn)工藝57
3.3.2納米多孔互連59
3.3.3傾斜微凸點(diǎn)59
3.3.4細(xì)節(jié)距壓印凸點(diǎn)60
3.3.5液滴微夾鉗焊錫凸點(diǎn)60
3.3.6碳納米管(CNT)凸點(diǎn)62
參考文獻(xiàn)63
第4章倒裝芯片互連:過去,現(xiàn)在和將來66
4.1倒裝芯片互連技術(shù)的演變67
4.1.1高含鉛量焊錫接點(diǎn)68
4.1.2芯片上高含鉛量焊料與層壓基板上共晶焊料的接合68
4.1.3無鉛焊錫接點(diǎn)69
4.1.4銅柱接合70
4.2組裝技術(shù)的演變71
4.2.1晶圓減薄與晶圓切割71
4.2.2晶圓凸點(diǎn)制作72
4.2.3助焊劑及其清洗74
4.2.4回流焊與熱壓鍵合75
4.2.5底部填充與模塑76
4.2.6質(zhì)量保證措施78
4.3C4NP技術(shù)79
4.3.1C4NP晶圓凸點(diǎn)制作工藝79
4.3.2模具制作與焊料轉(zhuǎn)移81
4.3.3改進(jìn)晶圓凸點(diǎn)制作良率81
4.3.4C4NP的優(yōu)點(diǎn):對(duì)多種焊料合金的適應(yīng)性83
4.4Cu柱凸點(diǎn)制作83
4.5基板凸點(diǎn)制作技術(shù)86
4.6倒裝芯片中的無鉛焊料90
4.6.1無鉛焊料的性能91
4.6.2固化,微結(jié)構(gòu)與過冷現(xiàn)象93
4.7倒裝芯片中無鉛焊料的界面反應(yīng)93
4.7.1凸點(diǎn)下金屬化層93
4.7.2基板金屬化層95
4.7.3無鉛焊錫接點(diǎn)的界面反應(yīng)96
4.8倒裝芯片互連結(jié)構(gòu)的可靠性98
4.8.1熱疲勞可靠性98
4.8.2跌落沖擊可靠性99
4.8.3芯片封裝相互作用:組裝中層間電介質(zhì)開裂101
4.8.4電遷移可靠性104
4.8.5錫疫109
4.9倒裝芯片技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)109
4.9.1傳統(tǒng)微焊錫接點(diǎn)110
4.9.2金屬到金屬的固態(tài)擴(kuò)散鍵合113
4.10結(jié)束語114
參考文獻(xiàn)115
第5章倒裝芯片下填料:材料,工藝與可靠性123
5.1引言124
5.2傳統(tǒng)下填料與工藝125
5.3下填料的材料表征127
5.3.1差示掃描量熱法測(cè)量固化特性127
5.3.2差示掃描量熱法測(cè)量玻璃轉(zhuǎn)化溫度129
5.3.3采用熱機(jī)械分析儀測(cè)量熱膨脹系數(shù)130
5.3.4采用動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀測(cè)量動(dòng)態(tài)模量131
5.3.5采用熱重力分析儀測(cè)量熱穩(wěn)定性133
5.3.6彎曲實(shí)驗(yàn)133
5.3.7黏度測(cè)量133
5.3.8下填料與芯片鈍化層粘接強(qiáng)度測(cè)量134
5.3.9吸濕率測(cè)量134
5.4下填料對(duì)倒裝芯片封裝可靠性的影響134
5.4.1鈍化層的影響136
5.4.2黏附性退化與85/85時(shí)效時(shí)間137
5.4.3采用偶聯(lián)劑改善粘接的水解穩(wěn)定性140
5.5底部填充工藝面臨的挑戰(zhàn)141
5.6非流動(dòng)型下填料143
5.7模塑底部填充148
5.8晶圓級(jí)底部填充149
5.9總結(jié)153
參考文獻(xiàn)154
第6章導(dǎo)電膠在倒裝芯片中的應(yīng)用159
6.1引言160
6.2各向異性導(dǎo)電膠/導(dǎo)電膜160
6.2.1概述160
6.2.2分類160
6.2.3膠基體161
6.2.4導(dǎo)電填充顆粒161
6.2.5ACA/ACF在倒裝芯片中的應(yīng)用162
6.2.6ACA/ACF互連的失效機(jī)理167
6.2.7納米ACA/ACF最新進(jìn)展168
6.3各向同性導(dǎo)電膠173
6.3.1引言173
6.3.2ICA在倒裝芯片中的應(yīng)用178
6.3.3ICA在先進(jìn)封裝中的應(yīng)用184
6.3.4ICA互連點(diǎn)的高頻性能187
6.3.5ICA互連點(diǎn)的可靠性189
6.3.6納米ICA的最新進(jìn)展191
6.4用于倒裝芯片的非導(dǎo)電膠194
6.4.1低熱膨脹系數(shù)NCA194
6.4.2NCA在細(xì)節(jié)距柔性基板芯片封裝中的應(yīng)用196
6.4.3快速固化NCA196
6.4.4柔性電路板中NCA與ACA對(duì)比197
參考文獻(xiàn)197
第7章基板技術(shù)205
7.1引言206
7.2基板結(jié)構(gòu)分類207
7.2.1順序增層結(jié)構(gòu)207
7.2.2Z向堆疊結(jié)構(gòu)208
7.3順序增層基板208
7.3.1工藝流程208
7.3.2導(dǎo)線210
7.3.3微通孔217
7.3.4焊盤225
7.3.5芯片封裝相互作用231
7.3.6可靠性239
7.3.7歷史里程碑245
7.4Z向堆疊基板248
7.4.1采用圖形轉(zhuǎn)移工藝的Z向堆疊基板248
7.4.2任意層導(dǎo)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挑戰(zhàn)254
7.5.1無芯基板254
7.5.2溝槽基板255
7.5.3超低熱膨脹系數(shù)基板257
7.5.4堆疊芯片基板258
7.5.5光波導(dǎo)基板260
7.6陶瓷基板261
7.7路線圖262
7.7.1日本電子與信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì)路線圖262
7.7.2國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖263
7.8總結(jié)264
參考文獻(xiàn)264
第8章IC封裝系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)266
8.1集成的芯片封裝系統(tǒng)268
8.1.1引言268
8.1.2設(shè)計(jì)探索269
8.1.3模擬與分析決策273
8.1.4ICPS設(shè)計(jì)問題274
8.2去耦電容插入276
8.2.1引言276
8.2.2電學(xué)模型278
8.2.3阻抗矩陣及其增量計(jì)算280
8.2.4噪聲矩陣282
8.2.5基于模擬退火算法的去耦電容插入282
8.2.6基于靈敏度分析算法的去耦電容插入286
8.3TSV 3D堆疊296
8.3.13D IC堆疊技術(shù)296
8.3.2挑戰(zhàn)298
8.3.3解決方法302
8.4總結(jié)316
參考文獻(xiàn)316
第9章倒裝芯片封裝的熱管理323
9.1引言324
9.2理論基礎(chǔ)325
9.2.1傳熱理論325
9.2.2電熱類比模型327
9.3熱管理目標(biāo)328
9.4芯片與封裝水平的熱管理330
9.4.1熱管理示例330
9.4.2芯片中的熱點(diǎn)331
9.4.3熱管理方法336
9.5系統(tǒng)級(jí)熱管理338
9.5.1熱管理示例338
9.5.2熱管理方法340
9.5.3新型散熱技術(shù)348
9.6熱測(cè)量與仿真357
9.6.1封裝溫度測(cè)量358
9.6.2溫度測(cè)量設(shè)備與方法358
9.6.3溫度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)359
9.6.4簡(jiǎn)化熱模型359
9.6.5有限元/計(jì)算流體力學(xué)仿真360
參考文獻(xiàn)362
第10章倒裝芯片封裝的熱機(jī)械可靠性367
10.1引言368
10.2倒裝芯片組件的熱變形369
10.2.1連續(xù)層合板模型370
10.2.2自由熱變形371
10.2.3基于雙層材料平板模型的芯片應(yīng)力評(píng)估372
10.2.4芯片封裝相互作用最小化374
10.2.5總結(jié)377
10.3倒裝芯片組裝中焊錫凸點(diǎn)的可靠性377
10.3.1焊錫凸點(diǎn)的熱應(yīng)變測(cè)量377
10.3.2焊錫材料的本構(gòu)方程378
10.3.3焊錫接點(diǎn)的可靠性仿真384
10.3.4下填料粘接強(qiáng)度對(duì)焊錫凸點(diǎn)可靠性的影響387
10.3.5總結(jié)389
參考文獻(xiàn)389
第11章倒裝芯片焊錫接點(diǎn)的界面反應(yīng)與電遷移391
11.1 引言392
11.2無鉛焊料與基板的界面反應(yīng)393
11.2.1回流過程中的溶解與界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)393
11.2.2無鉛焊料與Cu基焊盤的界面反應(yīng)397
11.2.3無鉛焊料與鎳基焊盤的界面反應(yīng)398
11.2.4貫穿焊錫接點(diǎn)的Cu和Ni交叉相互作用403
11.2.5與其他活潑元素的合金化效應(yīng)405
11.2.6小焊料體積的影響409
11.3倒裝芯片焊錫接點(diǎn)的電遷移412
11.3.1電遷移基礎(chǔ)413
11.3.2電流對(duì)焊料的作用及其引發(fā)的失效機(jī)理415
11.3.3電流對(duì)凸點(diǎn)下金屬化層(UBM)的作用及其引發(fā)的失效機(jī)理421
11.3.4倒裝芯片焊錫接點(diǎn)的平均無故障時(shí)間426
11.3.5減緩電遷移的策略429
11.4新問題431
參考文獻(xiàn)431
附錄439
附錄A量度單位換算表440
附錄B縮略語表443