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首发:英特尔高级工程师2021新作-封装工艺全书:《三维微电子封装:从架构到应用》( ...

已有 408 次阅读2022-3-24 16:17 |系统分类:芯片设计

图书简介

本书为学术界和工业界的研究生和专业人士提供了全面的参考指南,内容涉及三维微电子封装的基本原理、技术体系、工艺细节及其应用。本书向读者展示了有关该行业的技术趋势,使读者能深入了解*新的研究与开发成果,包括TSV、芯片工艺、微凸点、直接键合、先进材料等,同时还包括了三维微电子封装的质量、可靠性、故障隔离,以及失效分析等内容。书中使用了大量的图表和精心制作的示意图,可以帮助读者快速理解专业技术信息。读者通过本书将全面地获得三维封装技术以及相关的质量、可靠性、失效机理等知识。此外,本书还对三维封装技术尚在发展中的领域和存在的差距做了介绍,为未来的研究开发工作带来有益的启发。


本书适合从事集成电路芯片封装技术的工程师、科研人员和技术人员阅读,也可作为高等院校微电子封装工程专业的高年级本科生、研究生以及培训人员的教材和教学参考书。

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目录:

第1章 三维微电子封装概论
1.1 导言
1.2 为什么采用三维封装
1.2.1 摩尔定律
1.2.2小型化需要三维封装
1.2.3 降低功耗提高系统性能
1.3 三维微电子封装架构
1.3.1 芯片-芯片三维集成
1.3.2 封装-封装三维集成
1.3.3 三维异构集成
1.4 三维微电子封装的挑战
1.4.1 组装工艺、良率、测试及成本的挑战
1.4.2 热管理、封装设计及建模的挑战
1.4.3 材料和基板的挑战
1.4.4 质量、可靠性及失效分析的挑战
1.5 小结
参考文献
第2章 三维封装架构和组装流程设计
2.1 导言
2.2基于硅通孔(TSV)的三维架构:优势与劣势
2.3 TSV的制造方法及其他特性
2.4 组装工艺流程
2.5 制造良率及测试的作用
2.6 TSV三维架构的挑战
2.7 小结
参考文献
第3章 硅通孔(TSV)的材料与工艺
3.1 导言
3.2 TSV的材料与工艺概览
3.3 TSV的制作与组装
3.3.1 在硅晶圆上形成孔或沟槽
3.3.2 循序填充硅通孔
3.3.3 平坦化和芯片减薄
3.4 TSV制作与芯片集成的工艺流程
3.4.1流程顺序
3.4.2 包含TSV的芯片集成
3.5 小结
参考文献
第4章 TSV的微结构与力学可靠性
4.1 导言
4.2微观结构表征及应力测量
4.2.1 微观结构表征
4.2.2 应力状态测量
4.3 TSV相关的可靠性问题
4.3.1 TSV中的应力
4.3.2 电迁移有关的效应
4.4面向原子信息的TSV可靠性建模
4.4.1 CPFE法
4.4.2 PFC法
4.5 小结
参考文献
第5章 晶体相场(PFC)模型:一种在TSV中探测原子的工具
5.1引言
5.2 PFC模型基础
5.2.1经典密度泛函理论
5.2.2近似模型
5.2.4 控制方程
5.2.5 多组分多相系统的应用
5.2.6 物理场耦合
5.3 TSV的PFC模型
5.3.1 三角晶格
5.3.2 方晶格
5.3.3 基于石墨烯的TSV
5.4 总结
参考文献
第6章 TSV挤出效应的原子尺度动力学
6.1 导言
6.2 模型设置和TSV挤出的实例
6.3 不同机械载荷条件下的挤出
6.3.1 剪切应变γyx
6.3.2 法向应变εx和剪切应变γxy
6.3.3 法向应变εy
6.3.4 载荷分布
6.4 晶粒结构的影响
6.4.1 晶粒分布
6.4.2 晶粒尺寸
6.4.3 晶粒取向
6.5 温度的影响
6.6 几何形状的影响
6.6.1 TSV的形状
6.6.2 侧壁粗糙度
6.7 TSV挤出效应的一般观点
6.7.1 原子机制
6.7.2 挤出的轮廓预测准则
6.7.3 塑性流动观点
6.8 展望
参考文献
第7章 三维封装芯片准备的原理及失效
7.1 导言
7.2 TSV晶圆制造工艺概述
7.3 临时晶圆键合
7.4 晶圆解键合及清洁
7.5 晶圆激光划片
7.6 晶圆砂轮划片
7.7 晶圆芯片顶出
7.8 芯片贴装
7.9 底部填充
7.10 结论
参考文献
第8章 铜-铜(Cu-Cu)直接键合及三维封装的其他键合技术
8.1 导言
8.2基于焊料键合与无焊料键合:优点与缺点
8.3 堆叠和键合方案、技术与应用
8.4 热压键合(一种典型的扩散焊):材料基础及微观结构效应
8.5 覆盖层钝化:自组装单分子膜(SAM)和金属
8.6 表面活化键合(SAB)工艺
8.7 Cu/介质混合键合
8.7.1 Cu/SiO2混合键合
8.7.2 Cu/粘合剂混合键合
8.8 另一种Cu-Cu键合技术:插入键合
8.9 Cu–Cu键合设备概览及现状
8.10 小结及后续研究建议
参考文献
第9章 微米/纳米铜在三维互连中的应用
9.1 导言
9.1.1 金属纳米颗粒键合综述
9.1.2 混合铜颗粒键合的应用动因
9.2 烧结致密度建模
9.2.1 算法设计与假设
9.2.2 3D仿真结果
9.2.3 小结
9.3铜浆配方及表征
9.3.1 铜浆配方和烧结曲线
9.3.2 热学和电学特性
9.3.3 仿真与试验结果的探讨
9.3.4 小结
9.4 芯片到晶圆键合验证
9.4.1 实验内容
9.4.2 键合剪切强度
9.4.3 小结
9.5 总结与展望
9.5.1 总结
9.5.2 展望
参考文献
第10章 2.5/3D封装键合技术与工艺材料基础
10.1 导言
10.2 背景介绍
10.2.1 三维封装结构概述
10.2.2 热压焊(TCB)技术的基本原理
10.2.3 工艺材料基础
10.3 材料配方原理
10.3.1 水溶性助焊剂
10.3.2 免清洗助焊剂
10.3.3 毛细底部填充
10.3.4 环氧助焊剂(非流动底部填充胶或非导电胶)
10.3.5 预涂环氧基材料(非导电膜及B阶材料)
10.4 组装工艺设计
10.4.1 简介
10.4.2 TCB组装工艺要素
10.4.3 TCB组装工艺要素的设计和开发
10.5专题:综合比较分析传统回流焊与TCB的Sn-Ag-Cu(SAC)焊点微观结构
10.5.1 简介
10.5.2 实验部分
10.5.3 结果和讨论
10.5.4 结论
10.6 小结与讨论
参考文献
第11章 三维封装焊料合金基础
11.1 微凸点工艺
11.2 微凸点的焊料合金
11.3 微凸点焊接中金属间化合物的形成
11.4 热力学环境下微凸点的微观结构演变
11.5 微凸点的微观结构与失效机理
11.6 小结和未来的挑战
参考文献
第12章 三维封装互连的电迁移原理
12.1 导言
12.2焊点电迁移的关键影响因素
12.2.1 锡扩散引起的典型电迁移失效
12.2.2 金属化层溶解导致的电迁移失效
12.3三维封装中焊点的电迁移
12.3.1 微凸点中锡扩散导致的电迁移损伤
12.3.2 电迁移中全金属间化合物焊点的形成
12.3.3 伴随电迁移的热迁移
12.4 三维封装中TSV的电迁移
12.4.1 大马士革Cu互联的电迁移
12.4.2 TSV的电迁移失效
12.4总结
参考文献
第13章 三维集成电路封装的散热与热设计基础
13.1导言
13.2 三维集成电路的热性能参数
13.3 三维集成电路的空气冷却
13.4 射流冲击和喷雾冷却
13.5微通道冷却
13.6三维集成电路架构中的热设计注意事项
13.6.1 TSV 布局的散热注意事项
13.6.2用于三维集成电路的热分析工具
13.6.3性能注意事项
13.6.4用于带液体冷却的三维集成电路的新兴无线互连
13.7集成微通道的液冷散热
13.7.1 变密度翅片对微通道热性能的改善
13.7.2 两相冷却
13.8 未来方向
参考文献
第14章 有机基板技术中的先进材料与工艺基础
14.1 简介
14.2 基板技术的发展概述
14.3 有机基板材料
14.3.1 有机基板生产中使用的材料
14.3.2 材料概述
14.3.3 基板和PWB的芯板
14.3.4 介质材料
14.3.5 金属化过孔和过孔填充材料
14.3.6 阻焊材料
14.3.7 表面涂覆
14.3.8 小结
14.4 有机基板制造工艺概述
14.4.1 基板原料的选择与制备
14.4.2 内层图形成像
14.4.3 积层工艺
14.4.4 阻焊、表面涂覆及一级互连形成
14.5.5 最终成型、测试、检验和出货
参考文献
第15章 三维封装中芯片和封装级热、湿-热应力:建模与特征提取
15.1 导言
15.2 热应力及其对TSV结构的影响
15.2.1 引言
15.2.2 基于半解析和数值计算的TSV应力表征方法
15.2.3 热应力的测量
15.2.4 热应力对载流子迁移率和禁区的影响
15.2.5 热应力导致的通孔挤出
15.3 封装级热应力及翘曲控制
15.3.1 引言
15.3.2 多层结构中的热应力
15.3.3 翘曲机理及控制方法
15.3.4 用于翘曲控制的芯片盖帽方法
15.3.5 翘曲特性的试验测试
15.3.6 基于数值模拟的翘曲控制设计优化
15.4 湿-热联合作用下的综合应力分析
15.4.1 引言414
15.4.2 湿气扩散理论
15.4.3 湿气诱导的应变和等效应力理论
15.4.4 蒸汽压力建模
15.4.5 综合应力分析耦合方程
15.4.6 案例分析
15.5 小结
参考文献
第16章 堆叠封装互连焊接的工艺与可靠性
16.1 导言
16.1.1 小型化和功能化趋势
16.1.2 三维封装的变体
16.1.3 应用驱动的PoP和PoPoP器件要求
16.2 焊接组装工艺
16.2.1 焊料合金
16.2.2 助焊剂与焊膏
16.2.3 组装方法
16.2.4 检测技术
16.2.5 底部填充、保形涂覆和包封材料
16.2.6 翘曲效应
16.3 焊点可靠性
16.3.1 环境
16.3.2 底部填充、保形涂覆和包封
16.3.3 可靠性研究
16.4小结及未来发展趋势
16.4.1小结
16.4.2未来发展趋势
参考文献
第17章 三维封装的互连质量与可靠性
17.1 导言
17.2 三维封装的质量挑战
17.3 微凸点的质量与可靠性
17.3.1 类型1——Cu/Sn/Cu
17.3.2 类型2-——Ni/Sn/Ni
17.3.3 类型3——Cu/Sn/Ni
17.3.4 类型4——Cu/Ni/Sn/Ni/Cu
17.3.5 小结
17.4 三维封装的现场性能预测
17.5 三维封装的电迁移可靠性
17.5.1 电迁移简介
17.5.2 铝、铜互连的电迁移实验研究
17.5.3 倒装芯片焊点的电迁移
17.5.4 三维集成电路封装的系统级电迁移研究
17.5.5 2.5维集成电路中的系统级薄弱环节失效
17.5.6 小结
17.6 三维集成电路封装中的热迁移
17.6.1 概述
17.6.2 热迁移原理
17.6.3 三维集成电路封装中的热迁移研究
17.6.4 小结
参考文献
第18章 三维封装的故障隔离与失效分析
18.1 导言
18.2 三维先进封装的故障隔离与失效分析的挑战
18.3 无损故障隔离和失效分析技术在三维微电子封装中的应用
18.3.1 三维微电子封装电气失效的无损故障隔离技术
18.3.2 三维微电子封装的高分辨率无损成像技术
18.4 面向三维微电子封装的样品制备及材料分析技术应用
18.4.1 样品制备技术
18.4.2 材料分析技术
18.5 三维封装的失效分析策略
18.5.1 理解封装组装过程、可靠性应力和失效率分布
18.5.2 识别缺陷的高效FI-FA流程
18.5.3 深入了解失效机理和根本原因,提供解决路径
18.5.4 小结
参考文献

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 前言:

译者序

微电子产业已不可避免地进入“后摩尔时代”,为满足电子产品持续向超轻、超薄、高性能、低功耗发展的需求,先进微电子封装已然成为主流的技术趋势并提供了创新的解决方案。封装技术从二维的MCM技术向2.5维和三维异构集成技术快速发展,也即是本书的主题:三维微电子封装技术。三维微电子封装为以低成本的方式延续摩尔定律开辟了一条可行的路径,已经成为当前微电子产业界和学术界重要的研究热点。


本书很好地总结了三维微电子封装当前最新的研究成果,对相关的工艺、材料、设计、质量与可靠性等重要议题进行了详细总结和论述,能够帮助从事该领域研究的研究生和工程师快速地建立起必要的知识体系,使之更快地进入工程实践或前沿技术研究。


值得一提的是,本书特别突出了与三维微电子封装密切相关的质量和可靠性的基础理论与技术,这在三维微电子封装技术已广泛应用于消费电子产品,并快速向通信、汽车、航空航天等高可靠应用领域渗透的当下,具有非常重要的实践指导意义。

本书的两位主编是行业知名公司的技术专家,其研究代表了行业前沿水平,作为2017年初次出版后的第2版,在原书第1版的基础上经过增补完善,内容更全面地反映了行业最新研究成果。相信本书的译介能够对国内电子封装技术领域的研究生和技术开发人员带来很好的帮助。


本书主要由中国电子科技集团公司第二十九研究所、四川省宽带微波电路高密度集成工程研究中心的技术团队负责翻译,中南大学李军辉教授给予了特别的帮助。译者要感谢中国电子科技集团公司第四十三研究所的王传声研究员、李建辉研究员、刘俊夫高工、李林森博士、朱喆博士、徐春林博士,以及中山大学黄志恒教授、刘金欣博士对译稿的细致审阅。感谢厦门大学教授/云天半导体创始人于大全博士对译稿提出的宝贵意见。他们的支持使本书的翻译质量得到了极大提升!


本书的原版中引用的资料来源较多,不同资料中的个别术语表述方式、一些单位名称及物理量符号的使用标准不完全一致,为避免不必要的错误,译者对此并未刻意进行换算或统一。因译者翻译和学术水平有限,其中的错误和不当之处,恳请广大读者给予
指正。



集成电路是事关国家安全和发展全局的战略性、基础性和先导性产业,但我国与世界先进水平有明显差距,因此集成电路被列入《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》强化国家战略科技力量的科技前沿攻关领域。


近年来,集成电路摩尔定律正逼近物理、技术和成本的极限,而以异构集成为特征的超越摩尔定律为电子系统微型化和多功能集成开拓了极为广阔的前景。三维微电子封装技术作为已逐渐成为提升产品集成密度和性能的重要解决途径,将催生更多种类的新器件、集成结构和系统创新方法,具备颠覆传统产品形态、推动信息产业革命性创新的巨大能力,并已成为必然的技术趋势。据国际知名市场调研公司Yole 报告,以三维封装为代表的先进封装市场规模将在2022年超过传统封装的市场规模。到2026年,先进封装市场营收将达到475亿美元,在整个半导体市场中的份额将占有近50%。在后摩尔时代对芯片性能持续提升的需求推动下,半导体产业链逐渐加大对先进微电子封装领域的投资力度,先进微电子封装技术不仅成为引领芯片行业进步的关键一环,还成为衡量国家科技硬实力的一项重要指标。三维微电子封装技术作为近年以来得到重点关注的先进封装技术,在消费类电子产品、人工智能、新能源汽车等各类产业领域都具有极高的应用价值。通过三维微电子封装取代传统单芯片封装,可以实现相当大的尺寸减小和性能提升,是微电子封装领域发展前景最好、最具代表性的技术。


该书主要内容涉及三维微电子封装的基本原理、技术体系、工艺细节及其应用,涵盖了三维封装的架构设计、互连与键合工艺、先进封装材料、热管理、热机械建模、质量和可靠性以及三维封装失效分析等方面的基础知识,这些对于三维微电子封装的成功都至关重要,将为科技界的教学研究以及工业界的研发制造提供全面的参考指南,具有很强的操作指导价值。我非常高兴看到中国电科的技术专家们翻译出版了这本优秀的技术专著,相信该书的译介将推动我国先进封装技术的不断进步。

黄庆安
IEEE Fellow
东南大学
2022年
2月21日


作者简介:

李琰
李琰(Yan Li)博士是英特尔公司位于美国亚利桑那州钱德勒“组装测试与技术开发失效分析实验室”的高级主任研究员。她在北京大学获得物理学学士和硕士学位,并于2006年获得美国西北大学材料科学与工程博士学位。作为英特尔三维封装技术开发项目的首席封装失效分析工程师,李博士参与了英特尔众多封装相关的技术解决方案,并专注于电子封装的质量和可靠性,对失效模式和失效机理有深入的研究,开发了用于三维封装故障隔离和失效分析的新工具及技术。李博士是矿物金属和材料学会(TMS)、美国金属学会(AMS)和电子器件失效分析协会(EDFAS)等多个国际专业学会的资深会员及撰稿人。自2011年以来李博士担任了TMS、测试与失效分析国际会议(ISTFA)的年会组织者。李博士2018年进入集成电路物理与失效分析国际会议技术委员会(IPFA),她还获得了2014年TMS EMPMD青年领袖专业发展奖。李博士在微电子封装领域发表了20余篇论文及多项专利,并联合编撰了受到业界高度认可的著作《3DMicroelectronic Packaging》。

迪帕克•戈亚尔
迪帕克•戈亚尔(Deepak Goyal)博士目前是英特尔ATTD/ATM封装FA和LYA实验室的主任,毕业于纽约州立大学石溪分校并获得材料科学与工程博士学位。他负责为英特尔下一代微电子封装开发新的分析工具,缺陷表征,故障隔离,失效和材料分析技术。协助开发了英特尔整套封装技术,包括FCxGA,FCCSP,TSV,EMIB和Foveros等等。他作为失效分析方面的专家,在国际电子元件与技术会议(ECTC)上教授了有关封装FA/FI方法及失效机理的专业课程。他曾获得了两项英特尔成就奖和25项部门奖。Goyal博士已撰写或合著了50多篇论文,并拥有11项美国专利。他是IEEE的高级会员,曾担任由半导体制造技术战略联盟(Sematech)举办的封装与互连故障分析论坛主席,以及ECTC应用可靠性委员会主席。



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