先进倒装芯片封装技术

本书由倒装芯片封装技术领域重量专家撰写而成，系统总结了过去十几年倒装芯片封装技术的发展脉络和近期新成果，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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优选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”。现任中科院深圳优选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凸点技术的近期新进展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近期新进展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在优选封装中的应用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的近期新进展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