集成电路封装可靠性技术

本书系统介绍集成电路封装可靠性设计，主要内容包括集成电路封装可靠性定义、封装可靠性设计、可靠性试验的分类与作用、可靠性试验标准、可靠性试验程序、失效分析方法、失效分析流程、失效模式与分类、失效机理、可靠性模拟分析等。

集成电路被称为电子产品的"心脏”，是所有信息技术产业的核心；集成电路封装技术是将集成电路"打包”的技术，已成为"后摩尔时代”的重要技术手段；集成电路封装可靠性技术是集成电路乃至电子整机可靠性的基础和核心。集成电路失效，约一半是由封装失效引起的，封装可靠性已成为人们普遍关注的焦点。本书在介绍集成电路封装技术分类和封装可靠性表征技术的基础上，分别从塑料封装、气密封装的产品维度和热学、力学的应力维度，描述了集成电路封装的典型失效模式、失效机理和物理特性；结合优选封装结构特点，介绍了与封装相关的失效分析技术和质量可靠性评价方法；从材料、结构和应力三个方面，描述了集成电路的板级组装可靠性。本书旨在为希望了解封装可靠性技术的人们打开一扇交流的窗口，在集成电路可靠性与电子产品可靠性之间搭建一座沟通的桥梁。本书主要供从事电子元器件、电子封装，以及与电子整机产品研究、设计、生产、测试、试验相关的工程技术人员及管理人员阅读，也可作为各类高等院校相关专业的教学参考书。

周斌，博士，工业和信息化部电子第五研究所研究员，重量重点实验室副总工程师，国防科工局优秀中青年，中国电子学会优秀科技工作者。主要从事裸芯片KGD、优选封装及微系统可靠性和热管理技术研究。承担国家核心产品攻关重大专项、国防基础科研重点项目、预研、质量攻关等项目20余项，研制开发了多通道互联电阻在线监测系统、多热源红外发射率校正及测温系统和可靠性仿真评价软件等5台/套软硬件成果。获国防科技进步二等奖4项，国防科技创新团队奖和中国电子信息科技创新团队奖各1项，发表SCI/EI论文49篇，授权发明专利8项，合作出版编著2本，译著1本。

第1章集成电路封装技术及可靠性概述1
1.1封装技术发展概况1
1.1.1集成电路封装功能1
1.1.2集成电路常见封装类型2
1.1.3集成电路封装技术发展趋势10
1.2封装技术与可靠性的关系17
1.2.1封装热性能与可靠性17
1.2.2封装机械性能与机械环境适应性18
1.2.3封装气密性与潮湿环境适应性18
1.2.4封装材料与电磁干扰19
1.2.5封装材料与抗辐射性能20
1.3封装可靠性技术及其发展21
1.3.1集成电路封装可靠性21
1.3.2集成电路封装失效机理研究22
1.3.3集成电路封装可靠性技术发展23
参考文献26
第2章集成电路封装物理特性及可靠性表征29
2.1物理特性表征及标准要求29
2.1.1常规物理特性29
2.1.2特殊物理特性47
2.1.3锡须生长特性49
2.2可靠性表征及标准要求52
2.2.1封装失效率52
2.2.2封装耗损寿命54
2.2.3失效率和寿命标准要求55
2.3环境适应性表征及标准要求57
2.3.1高温环境适应性57
2.3.2温变环境适应性57
2.3.3机械环境适应性57
2.3.4环境适应性标准要求58
参考文献60
第3章塑料封装的失效模式、失效机理及可靠性62
3.1塑料封装的可靠性概述62
3.2塑料封装的失效模式和失效机理63
3.2.1塑封料相关的失效模式和失效机理63
3.2.2封装界面相关的失效模式和失效机理65
3.2.3倒装封装相关的失效模式和失效机理67
3.2.4键合退化相关的失效模式和失效机理67
3.3塑料封装的检测分析73
3.3.1模塑料的检测分析73
3.3.2封装界面分层的检测方法76
3.3.3封装界面热阻及芯片红外热成像检测方法81
3.3.4封装微变形检测技术82
3.4应力和可靠性86
3.4.1塑料封装的湿-热-机械可靠性86
3.4.2SiP封装的应力和可靠性98
3.4.3WLCSP封装的应力和可靠性99
3.5塑料封装典型失效案例103
3.5.1湿气侵入导致的腐蚀103
3.5.2高温导致的孔洞及键合退化104
参考文献105
第4章气密封装的失效模式、失效机理及可靠性108
4.1气密封装的结构特点108
4.2气密封装的失效模式和失效机理110
4.2.1粒子污染111
4.2.2热-机械应力111
4.2.3水汽/气体吸收113
4.3气密封装的性能检测114
4.3.1气密性的检测114
4.3.2键合性能的检测117
4.3.3多余物的检测119
4.3.4其他性能检测119
4.4应力和可靠性121
4.4.1气密封装可靠性评价方法122
4.4.2潮湿与温度综合载荷下的气密性退化特征124
4.4.3高温载荷下粘接剂释气规律125
4.4.4高频振动载荷下的脆性断裂127
4.5气密封装典型失效案例128
4.5.1HIC金属-玻璃封接界面间歇渗漏退化机理分析128
4.5.2气密盖板的随机振动非接触在线监测130
参考文献133
第5章3D封装的失效模式、失效机理及可靠性136
5.13D封装的发展历程与主流技术136
5.23D封装的主要结构特征138
5.2.13D芯片叠层结构138
5.2.23D封装叠层结构141
5.2.33DTSV封装结构142
5.33D封装的失效模式和失效机理143
5.3.13D封装常见失效模式143
5.3.23D封装失效机理150
5.43D封装技术的可靠性151
5.4.13D芯片叠层技术的可靠性151
5.4.23D封装叠层技术的可靠性153
5.4.33DTSV封装技术的可靠性159
5.53D封装典型失效案例168
5.5.1CoWoS3D封装结构失效案例168
5.5.2扇出型封装失效案例172
5.5.3TSV结构失效案例175
参考文献180
第6章集成电路封装热性能及分析技术185
6.1集成电路热效应185
6.1.1集成电路热问题185
6.1.2集成电路热效应分类186
6.2封装热分析理论基础189
6.2.1热传导189
6.2.2对流换热191
6.2.3辐射换热192
6.3热致封装相关失效模式193
6.3.1温度与器件封装失效的相关性194
6.3.2热失配引起的开裂失效195
6.3.3热疲劳引起的开裂失效197
6.3.4高温引起的蠕变失效197
6.3.5高温引起的互连退化失效198
6.3.6芯片过热烧毁200
6.4集成电路封装主要热性能201
6.4.1稳态热阻202
6.4.2热特性参数207
6.4.3瞬态热阻抗209
6.4.4比热容与结构函数212
6.4.5主要热测试和分析标准213
6.5封装热分析技术216
6.5.1主要热分析方法及对比216
6.5.2电学法218
6.5.3红外法220
6.5.4拉曼散射法223
6.5.5热反射法226
6.6封装热性能的主要影响因素228
6.6.1封装材料228
6.6.2封装尺寸228
6.6.3芯片尺寸229
6.6.4器件热耗散量229
6.6.5气流速度230
6.6.6板的尺寸和热导率231
6.7微流道热特性及热管理231
6.7.1微流道技术及换热效率232
6.7.2微流道热管理233
6.8叠层芯片封装热分析及结温预测案例[62]235
6.8.1热测试叠层芯片及测试板设计235
6.8.2基于温敏电阻的叠层芯片温度测试236
6.8.3基于有限元仿真的叠层芯片热分析238
6.8.4叠层芯片温度预测模型及验证240
参考文献246
第7章集成电路封装力学特性与试验251
7.1集成电路封装力学特性251
7.1.1封装各类力学问题251
7.1.2封装主要力学特性252
7.1.3封装力学失效及预防257
7.2集成电路封装力学试验266
7.2.1封装常规力学试验266
7.2.2封装新型力学试验268
7.3集成电路封装力学典型案例273
7.3.1封装盖板振动特性案例273
7.3.2高密度键合引线碰丝案例279
参考文献286
第8章集成电路封装失效分析技术288
8.1封装失效分析的主要内容288
8.2封装失效分析程序289
8.3非破坏性失效分析技术292
8.3.1外观分析技术292
8.3.2X射线显微透视分析技术294
8.3.3扫描声学显微分析技术296
8.3.4粒子碰撞噪声检测技术298
8.3.5氦质谱检漏分析技术299
8.4破坏性失效分析技术300
8.4.1开封及显微制样技术300
8.4.2内部气氛分析技术301
8.4.3扫描电子显微分析技术302
8.4.4透射电子显微分析技术303
8.4.5聚焦离子束缺陷分析技术306
8.53D封装失效分析新技术308
8.5.13DX射线分析技术308
8.5.2磁显微分析技术311
8.5.3同步热发射分析技术314
8.6集成电路封装故障树分析317
8.6.1集成电路封装故障树分析方法317
8.6.2集成电路封装故障树分析应用318
参考文献320
第9章集成电路封装质量和可靠性保证技术325
9.1封装质量检测与环境适应性要求325
9.1.1封装的质量检测要求325
9.1.2封装的环境适应性要求329
9.2质量与可靠性分析技术333
9.2.1破坏性物理分析333
9.2.2结构分析339
9.2.3假冒和翻新分析342
9.3加速寿命试验评估350
9.3.1集成电路产品的加速寿命试验方法350
9.3.2封装中常用的加速及失效模型354
9.3.3集成电路封装的加速寿命试验案例356
参考文献359
第10章集成电路板级组装可靠性361
10.1板级组装工艺与可靠性361
10.1.1板级组装工艺的发展历程362
10.1.2主流SMT技术363
10.1.3板级组装可靠性的工艺影响因素365
10.2板级焊点的结构及可靠性367
10.2.1焊点结构特点分析367
10.2.2焊点结构与可靠性370
10.3板级焊点的材料及可靠性379
10.3.1有铅焊料组装的可靠性379
10.3.2无铅焊料组装的可靠性382
10.3.3混装焊料组装的可靠性386
10.4环境应力与板级组装可靠性392
10.4.1热应力与板级组装可靠性392
10.4.2机械应力与板级组装可靠性395
10.4.3电流应力与板级组装可靠性399
10.4.4耦合应力与板级组装可靠性402
10.5板级组装可靠性的试验评价406
10.5.1板级组装可靠性的试验评价方法406
10.5.2板级组装可靠性的评价及失效案例411
参考文献420
缩略语中英文对照表424